4. Полупроводниковая пластина как детектор

Полупроводниковая пластина (ПП) – это полированная проводящая подложка (алюминий, латунь) с нанесенным на нее с одной сторо­ны тонким слоем (10 – 100 мкм) полупровод­никового материала. Полупроводником в таких детекторах используется аморфный селен. Селен в твердом состоянии имеет три модификации: аморфный, моноклинный и гексаго­нальный. Аморфный селен состоит из беспорядочно ориентиро­ванных кольцеобразных и спиралеобразных цепочек атомов

В обычном состоянии ПП нечувст­вительна к излучению. Для ее «активации» необходимо нанести на полупроводниковый слой электрический заряд, заземлив проводящую подложку. ПП помещают в светонепроницаемую камеру зарядного устройства и перемещают под электродом с потенциалом 5 ... 12 кВ относительно подложки. Корон­ный разряд между электродом и ПП заряжает полупроводниковый слой до потен­циала 0,6 ... 1,3 кВ.

Параметры ПП, оказывающие влияние на качество светового изображения:

– чувстви­тельность к ионизирующему излучению,

– относительный спад рабочего потенциала в темноте,

– эффект усталости полупровод­никовых слоев.

Экспонирование заряженных полупроводниковых слоев производится как и рентгеновских пленок. Время с момента зарядки ПП до экспонирования не должно превышать 10 ... 15 мин, т.к. происхо­дит спад потенциала пластин.

При облучении селеновых пластин в слое полупроводника возникают свободные носители тока, которые под действием электрического поля, приложенного к слою во время зарядки, дрейфуют к его поверхности и нейтрализуют заряд, нанесенный во время зарядки. В широком интервале мощностей экспозиционных доз спад потенциала происходит по экспоненте. Зависимость потенциала пластины от экспозиции имеет вид

,

где – начальный потенциал пластины перед экспонировани­ем; – параметр данной пластины и определенной энергии излучения.

Характеристическая кривая селенового слоя – зависимость потенциала от логарифма экспозиционной дозы излучения. Градиент этой кривой равен

,

Максимальное значение градиент, достигаемое при или , называется коэффици­ентом контрастности , он линейно увеличивается с ростом .

Чувствительность – это величина, обратная экспозиционной дозе, необходимой для спада рабочего потенциала пластины на 250 В. Обычно она со­ставляет 50 ... 400 Р^–1.

Заряженный полупроводниковый слой в темноте теряет свой заряд. Для селеновых слоев спад рабочего потенциала в темноте за 1 мин составляет 5 ... 15%.

Многократное экспонирование и электризация изменяют физические свойства селеновых слоев, – эффект «усталости». В результате снижается их чув­ствительность к ионизирующему излучению. Число циклов экспонирования до наступления усталости не превышает четырех, время восстановления утомленной пластины око­ло 20 мин.

5. Полупроводниковые детекторы (ППД)

Особенности работы ППД опреде­ляются физическими свойствами полупроводниковых материа­лов, энергетическая диаграмма которых содержит

– ва­лентную зону, образуемую валентными электронами,

– запрещенную зону шириной ,

– зону проводимости.

Для перевода электрона из валентной в зону проводимости необходима энергия . При большом энергетическом барь­ере слабое внешнее электрическое поле не обеспечит протекания электрического тока. При малом энергетическом барьере некоторые электроны валентной зоны под влиянием тепловых флуктуаций переходят в зону проводимости, создавая ток. Такие материалы называются полупроводниками (ПП).

Ионизирую­щая частица, попадая в полупроводник, способствует переводу электронов из валентной зоны в зону проводимости. В результате возникают электроны в первоначально незаполненных зонах и дырки в зонах, которые до прихода частиц были заполнены. После вторичных взаимо­действий за короткое время (10^–12 с) все электроны окажутся на дне зоны проводимости, а дырки – вверху валент­ной зоны.

Требо­вания к ПП материалам детекторов ионизирующего излучения:

– высокая плотность и большой атомный номер, чтобы в небольшом объеме затормозить частицу или поглотить фотоны;

– при взаимодействии частиц и фотонов с ПП материалом должно образовываться большое число свободных носителей заряда, что уменьшит флуктуацию их числа, приводя к увеличению обобщенного квантового выхода детектора;

– высокая подвижность носителей и малая концентрация ловушек, захватывающих носители в процессе дрейфа к электродам, что обеспечит большой сигнал во внешней цепи;

– малый ток утечки при вы­соких прикладываемых к материалу напряжениях, что обеспечит регистрацию создаваемого излучением слабого сигнала.

– возможность со­здания блокирующих контактов, препятствующих поступлению свободных носителей в рабочую область детектора, когда поло­жительный электрод не инжектирует в чувствительную область детектора дырки, а отрицательный – электроны.

Блокирующие контакты создают, формируя и –области путем диффузии, легирования примесями или подбором металлов, используемых в качестве контакта. При этом –контакт является отрицательным электродом, а – положительным.

ППД классифицируют по следующим признакам:

а) назначение – определение энергии, координатно-чувствительные и др.;

б) тип используемого полупроводника (Si, Ge, CaAs, GdTe, HgT и т.д.);

в) способ изготовления (поверхностно-барьерные, диф­фузионные и др.).

Если частица или фотон поглотились в чувствительном объ­еме детектора, то на электродах детектора образуется индуци­рованный заряд . Дисперсия числа генерируемых но­сителей заряда определяется выражением

,

где – фактор Фано. Для сцинтилляционных детекторов , что обусловлено наличием лишь одного канала, поглощающего энергию (образование фотоэлек­тронов в фоточувствительном уст­ройстве).

Рис. 14. Электрическая схе­ма подключения полупро­водникового детектора

Заряд в ППД возникает в результате гене­рации электронно-дырочных пар, на образование пары не­обходимы затраты энергии 3 эВ. Для образования пары электрон – поло­жительный ион в газонаполненных детекторах необходимо за­тратить 30 эВ, на образование фотоэлектрона в сцин­тилляционных детекторах 300 эВ.

Если бы вся энергия первичного фотона расходовалась на освобождение электронов и образование дырок, то число носителей заряда составило бы

,

флуктуации были бы близки нулю, т.е. . В ППД примерно 2/3 энергии ухо­дит на генерацию фононов по другому каналу – на возбужде­ние колебаний решетки. В результате возникают флуктуа­ции в передаче энергии по этим двум каналам, в результате . Для кремниевых детекторов . Электрическая схема подключения ППД представлена на рис. 14.