Климанов Дозиметрия ионизируюшчикх излучениы 2015

Для дозиметрии и α-спектрометрии чаще всего применяют кремниевые ППД, для спектрометрии γ ̶излученияиспользуют германиевые ППД.

5.2. Основные типы полупроводниковых детекторов

Простейшим детектором могла быть полоска высокоомного кремния. К такой полоске необходимо подвести напряжение для измерения силы тока , созданного ионизирующего излучения. Для нормальной работы необходимо обеспечить омические контакты. С этой целью проводят дополнительное сильное легирование, создавая слои для − Si и для − Si. Индекс “+” означает концентрация носителей велика и полупроводник становится вырожденным, полуметаллом, иначе, концентрация свободных носителей превышает эффективное число состояний в зоне разрешённых энергий. На слой из вырожденного кремния наносится слой металла для контакта с измерительной цепью. Пусть площадь, на которую падает излучение, равна S, толщина детектора d, приложенное напряжение U, мощность дозы в образцовом веществе (мягкая ткань) D0. Тогда

где – энергия образования пары носителей, τ − время жизни. Помимо радиационного тока будет протекать темновой ток,

обусловленный исходной концентрацией носителей заряда. Если полупроводник собственный, то темновой ток равен:

Для полного собирания зарядов необходимо выполнение условия − время пролёта носителей ( /μ ) должно быть много меньше времени жизни.

Технические трудности получения высокочистого кремния с большим временем жизни носителей не позволили им найти како- го-либо практического применения.

Широкое применение нашли неоднородные полупроводниковые детекторы: поверхностно-барьерные, диффузионно-дрейфовые.

501

Мысленно представим, что пластина кремния состоит из двух областей с проводимостью ˗ и ˗типа. Если бы между ними не было контакта, то зонные диаграммы выглядели бы так, как показано на рис. 14.8,а.

(а)

Vc

Рис. 14.6. Зонные диаграммы: а − зоны в ˗ и ˗кремнии, б − зоны в ППД

процесса диффузии свободные носители в приконтактной области начинают перемещаться: электроны из n-кремния переходят в p- кремний, оставляя неподвижные положительно заряженные ионы

атомов решётки, дырки соответственно переходят в −кремний. В результате по обе стороны контакта образуются слои с избытком электронов в −области и дырок в −области, равные по заряду.

502

Так возникает электрически нейтральная область – область элек- тронно-дырочного перехода (рис. 14.8,б).

Два слоя носителей заряда разного знака образуют потенциальный барьер, который препятствует дальнейшей диффузии носителей через переход. В области перехода свободных носителей ничтожно мало. Поэтому область перехода называют обеднённой областью.

Потенциальный барьер могут преодолеть только носители, об-

˗Si

заряда по обе стороны перехода будут отодвигаться от границы контакта. Такое включение называется обратным и практически всегда применяется в ППД. Так как в обратносмещённом переходе практически отсутствуют носители заряда, удельное сопротивление приближается к собственному, т. е. обеднённая область становится чувствительной для индуцированного радиацией заряда.

ная ширина перехода менее 1 мм. В диффузионных кремниевых

˗

жизни носителей уменьшается, что ухудшает радиационнофизические характеристики детектора.

Поверхностно-барьерные ППД изготавляют на базе кремния −типа с удельным сопротивлением порядка 100 Ом·см. На химически травлёную поверхность пластины (обычно толщиной 1 мм) вакуумным или катодно-вакуумным напылением наносят золотую плёнку толщиной менее 30 нм. Золотая плёнка образует выпрямляющий контакт Шотки с высотой потенциального барьера 0,8 эВ. Возле контакта возникает область сильного электрического поля, в

503

которой концентрация носителей много меньше их концентрации в объёме полупроводника, ширина области 2 ÷ 3 нм. Ширина чувствительной области увеличивается при подключении источника напряжения обратной полярности (положительное напряжение приложено к −полупроводнику). Создание «тыльного» (невыпрямляющего) контакта представляет определённую техническую проблему. Чаще всего используют никель, хром, наносимые по специальной технологии, которая является ноу-хау производителей.

Для создания неоднородных структур стали использовать метод ионного легирования с помощью специальных ускорителей тяжё-

контакты.

Подбор напряжения обратного смещения позволяет увеличить область чувствительности до 250 и более мкм.

Диффузионно-дрейфовые детекторы изготавливают из кремния или германия ˗типа путём температурной диффузии, а затем дрейфа ионов лития в поле ˗ ˗перехода. Как отмечалось, ионы лития из-за малых размеров и большой подвижности проникают в −полупроводник на большую глубину, компенсируя дырки и создавая область с проводимостью, близкой к собственной, толщиной 10 мм в Si и 20 мм в Ge. Кремниевые детекторы такого типа используются для спектрометрии заряженных частиц, радиометрии нейтронов. Ge –детекторы нашли применение для измерения рентгеновского излучения (планарная конструкция) и γ–излучения (коаксиальная конструкция). В дозиметрической практике используются в основном кремниевые ППД.

Диффузионно-дрейфовые детекторы изготовляют из кремния или германия ˗типа путём температурной диффузии, а затем дрейфа ионов лития в поле ˗ ˗перехода.

Как отмечалось, ионы лития из-за малых размеров и большой подвижности проникают в ˗полупроводник на большую глубину, компенсируя дырки и создавая область с проводимостью, близкой к собственной, толщиной 10 мм в Si и 20 мм в Ge. Кремниевые детекторы такого типа используются для спектрометрии заряженных

504

частиц, радиометрии нейтронов. Ge –детекторы нашли применение для измерения рентгеновского излучения (планарная конструкция) и –излучения (коаксиальная конструкция). В дозиметрической

концентрации доноров с одной стороны и акцепторов с другой стороны пластины.

5.3. Применение кремниевых ППД без подачи напряжения питания в дозиметрии

По сути ППД являются диодами специального назначения. Через диод протекает ток при подаче прямого (положительный полюс источника питания присоединён к p – материалу) и при обратном подключении. Количественно токи могут различаться на порядки, но знание их необходимо.

Рассмотрим два контактирующих полупроводника с − и − проводимостью. Для любых контактирующих твёрдых тел в условиях равновесия уровень Ферми один и тот же. Это утверждение относится и к контактам металл−полупроводник и полупроводник −полупроводник. При этом наблюдается изгиб зон, соответствующий отклонению концентраций носителей от равновесной, задаваемой концентрацией, примеси и температурой.

505

В тонком переходе плотности токов одинаковы на границах и в глубине перехода, а результирующий ток есть сумма токов дырок и электронов

цессов. По отношению к регистрации ионизирующего излучения такой ток является фоновым, темновым током. Из-за флуктуаций он мешает проводить измерение малых уровней радиации.

ными, по крайней мере для невысоких значений приложенного напряжения. Если ширина обеднённой области меньше длин диффузии в ˗ и ˗ материалах, то

(∆ ) = ,гр − = e − 1 :

506

∆˗ это изменение концентрации электронов (и дырок) за одну

секунду в единице объёма вследствие их рекомбинации. Тогда плотность рекомбинационного тока равна:

Полный ток является суммой рекомбинационного и диффузионного токов [8].

Для практических оценок ещё раз преобразуем выражение для этих токов. Рассмотрим кремниевый сильно ассиметричный переход с базой ˗ типа. В этом случае

Здесь используется ранее упомянутые выражения: , = ;

обеднённого слоя (см) можно оценить по формулам ступенчато-

диффузионного тока рекомбинационный ток будет возрастать с

ленный поток моноэнергетических фотонов, создающих в образцо-

положении, что энергия фотонов превышает (10 ÷ 15) кэВ, и поглощением в окне можно пренебречь.

В более общем случае необходимо учитывать ослабление пото-

щих в них параметров не доступен потребителю ППД и, возможно, их разработчикам.

Входящее в формулы напряжение от внешнего источника – это напряжение на ˗ ˗ переходе.

При прямом включении проводимость перехода увеличивается, напряжение напереходе ограничивается падением напряжения на сопротивлении базы. При больших напряжениях ВАХ их экспоненциальная зависимость переходят в линейную. На рис. 14.9 приведена вольт-амперная характеристика (ВАХ) ППД без воздействия облучения и при облучении. Видно, что минимальный темновой ток приходится на нулевое напряжение на переходе.

Рис. 14.9. Вольт-амперная характеристика: 1 – без облучения, темновой ток, 2 – при облучении

Для кремниевого ППД в темновом токе преобладает рекомбинационная составляющая. С увеличением напряжения смещения

чения чувствительного объёма. При отсутствии внешнего напряжения ширина перехода определяется контактной разностью по-

509

тенциалов, ~ 0,8 В. Для базы с удельным сопротивлением 10 Ом∙ см, ширина перехода равна ~ 10 мкм.

Включим ППД в замкнутую цепь, содержащую измеритель тока с внутренним сопротивлением н. Предположим, что н близко к нулю, тогда падение напряжения на переходе станет равным нулю:

сопротивлением нагрузки, примерно пропорционально логарифму радиационного тока, т. е. логарифму мощности дозы.

На самом деле возникает вопрос, в каком материале измеряется доза. Выше были приведены формулы для оценок радиационного тока от мощности дозы в эталонном материале, в мягкой биологической ткани. Переход от мощности дозы в кремнии проводился по отношению коэффициентов поглощения энергии. Такая оценка справедлива для достаточно толстого детектора, для которого утечкой электронов из объёма и привнесением энергии от окружающей среды можно пренебречь. На рис. 14.10 воспроизведены зависимости ЭЗЧ по дозе для кремниевого ППД с различными толщинами чувствительного объёма [8].

510