книги из ГПНТБ / Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений

•источников относительно невелика (не больше 500 р/мин). Поэтому основные изменения свойств ППД происходят в ре­ зультате образования радиационных дефектов при «ударном» смещении атомов быстрыми электронами [26, 220—229]. У ППД с р — «-переходом [223—225] происходят следующие изменения:

1)уменьшается напряжение холостого хода Ux_х и ток короткого замыкания /к.3;

2)с ростом дозы облучения темновой обратный ток /т и шум увеличиваются, темновое сопротивление Ro уменьшается;

3)отношение d0/Ln (где d0— ширина перехода, Ьа — длина

диффузии неосновных носителей) увеличивается (соответствен­ но изменяется и вольт-амперная характеристика);

перехода достаточно четко проявляются у детекторов, изготов­ ленных по диффузионной технологии.

Перечисленные изменения характеристик обусловлены в основном уменьшением времени жизни неосновных носителей и изменениями удельного сопротивления. Первый из этих процес­

ствительными из-за больших начальных значений / к.3. о- Это различие несколько уменьшается благодаря уменьшению коэф­ фициента а* при увеличении чистоты полупроводников, исполь­ зуемых для изготовления высокочувствительных детекторов. При рассмотрении экспериментальных результатов необходимо учитывать также влияние схемы включения ППД и характера измеряемого сигнала. Изменение числа импульсов обусловлено

торы исследовано в работах [226—229]. Детекторы AtiSi-типа на основе кремния «-типа с исходным удельным сопротивле­

121

нием р,г 6 и 13 ком ■см, временем жизни носителей тп = 2 ■10-3 сек облучались дозой до 10й р с периодами облучения по 4 н с мощностью дозы 800 р/мин и перерывами между сеансами облучения 20 ч [138].

В начале облучения токи и напряжения частично измени­ лись, а затем после перерывов восстанавливались. При дозе свыше 8 -105 р в ППД на основе кремния с большим сопротив­ лением наступало быстрое уменьшение /к.3 и Нх.х и детекторстановился практически непригодным для работы в вентильном режиме. В диодном режиме включения детектор становится непригоден уже после облучения дозой 5 -ІО5 р из-за значи­ тельного увеличения обратного тока и его флуктуаций. Анало­ гичными, но несколько меньшими по величине были изменения всех перечисленных параметров у детекторов с сопротивлением: базы р„ = 6 ком-см. В работе [227] определена энергетическая зависимость дефектообразования у поверхностно-барьерных ППД. Облучение производили электронами с энергиями 200; 400; 600 и 1000 кэв. Количество образованных дефектов (в отно­

при дальнейшем облучении увеличивалась. К моменту полной

отрицательного заряда сопровождается падением емкости, по­ ложительного — ее ростом.

В очень тонких детекторах (несколько десятков микрон) радиационная стойкость падает при уменьшении толщины [114]. Ухудшаются и временные характеристики. В частности, наблюдалось «затягивание» импульсов от а-частиц [226] до нескольких микросекунд по сравнению с 9 нсек до облучения. Приведенные данные показывают, что уже при дозе 104 рад от у-излучения 60Со в поверхностно-барьерных детекторах насту­ пают регистрируемые изменения параметров.

Низкая радиационная стойкость характерна и для кремние­ вых р — і — я-детекторов [229—231]. Это не противоречит рас­ смотренному ранее факту повышения радиационной стойкости «залечиванием» дефектов при осаждении на них атомов лития.

На рис. 6.3 приведены кривые изменения /,<.3 при облучении у-квантами 60Со р — і — я-детекторов. Следует отметить незна­ чительный рост /„.з (в пределах 3—5%), который наблюдается

122

при малых мощностях доз и дозе Оэ< 5 -103 р. При облучении у-квантами 60Со в дозе 2 -ІО5 р ток /к.з уменьшился на 23%. После двухмесячного хранения /к.3 восстановился до 85+3% исходного значения.

Увеличение емкости в р — і — «-детекторах тем больше, чем меньше напряжение смещения U и тоньше исходный обедненный

импульса от а-частицы в детекторе составляло 0,04 мксек до

уменьшения наблюдаемых изменений при облучении в диодном режиме с включенным обратным напряжением U.

В работе [230] рассмотрена модель взаимодействия ионов лития с Л-центрами при учете дрейфа лития в электрическом поле. Как следует из этой модели (и подтверждено эксперимен­ тально [231]), хранение р — і — «-детекторов, облученных дозой менее 2 -ІО5 р с включенным напряжением смещения, приводит к восстановлению их свойств.

Из приведенных данных следует необходимость тщательного учета возможных радиационных повреждений р — і — «-детек­ торов для каждого случая применения в дозиметрии, так как

•123

доза, соответствующая регистрируемым изменениям их чувстви­ тельности, при облучении у-квантами еоСо составляет всего 104р~ Предельно допустимая доза облучения не превышает, как правило 10е р.

Данные об изменении чувствительности диодов, используе­ мых в дозиметрии, разноречивы [232, 233].

Регистрируемому уменьшению /к.3 соответствует доза поряд­ ка 0,1— 1 Мрад.

лено удовлетворительное соответствие между формулой (6.2) іг экспериментально полученной зависимостью / к.з от дозы. Тогда же обнаружена повышенная радиационная стойкость Si-детек­ торов с р-базой по сравнению с детекторами на основа материа­ ла я-типа проводимости (рис. 6.4).

Приведенные на рис. 6.4 данные совпадают по порядку вели­ чины с полученными в работах [234—241]. Различие в радиа­ ционной стойкости объясняется влиянием свойств исходных материалов и технологией изготовления. Для ФЭП, так же как и для диодов, характерно восстановление тока /к.з в перерывах при фракционированном облучении, особенно в области доз ме­

124

ром, определяющим изменение фоточузстзительности ФЭП, является уменьшение времени жизни неосновных носителей. Смещение максимума спектральной чувствительности в корот­ коволновую область обусловлено тем, что коэффициент погло­ щения светового излучения быстро уменьшается с ростом длины волны (см. рис. 4.2), и поэтому основная доля длинноволновогоизлучения поглощается в области базы [242], а скорость объем­ ной рекомбинации в базе увеличивается быстрее, чем в перед­ нем контакте (где эта скорость из-за технологических осо­ бенностей изготовления ФЭП имеет высокое начальное зна­ чение) .

Радиационная стойкость ФЭП зависит от основных электро­ физических факторов, так же как и ранее рассмотренный коэф­ фициент а%, так как она определяется изменением диффузион­ ной длины Lu. Например, при облучении ФЭП электронами с энергией 4 Мэв уменьшение / к.3 на 25% у образцов, изготовлен­ ных на основе кремния, выращенных по методу Чохральского, происходило при потоке ІО14 электрон/см2 [240]. Такое же уменьшение /к. 3 происходит у образцов на основе кремния» выращенного зонной плавкой в атмосфере водорода при потоке, в три раза большем. Повышенная радиационная стойкость в- последнем случае объясняется меньшим (около 100 раз) содер­ жанием кислорода в кремнии зонной плавки. Однако в таком кремнии имеется большое число дислокаций. Поэтому исходные параметры ФЭП несколько хуже параметров ФЭП, изготовлен­ ных из кремния, выращенного по методу Чохральского.

С повышением удельного сопротивления базы радиационная стойкость ФЭП увеличивается. Зависимость коэффициента повреждения по току а* от удельного сопротивления базы мо­

£/х.х. Оптимальное значение р, в свою очередь, зависит от типа легирующих примесей, так как последние влияют на скорость образования центров рекомбинации. Оптимальная концентрация бора [238], которая соответствует максимуму отдаваемой мощ­ ности при преобразовании светового излучения, будет при удельном сопротивлении, равном 10 ом-см. Легирование литием позволило существенно повысить радиационную стойкость ФЭП

сд-базой [243, 244].

УФЭП на основе GaAs возможно меньшее изменение пара­ метров по сравнению с кремниевыми, в связи со значительно большим порогом дефектообразования и существенно меньши­

ми временами жизни неравновесных носителей в исходном материале.

Экспериментальные данные подтверждают эти положения, несмотря на существенное количественное различие между рас­ четом и экспериментом [245—248].

125

Экспериментальные данные по температурной зависимости чувствительности ППД

При изменении температуры изменяются все основные па­ раметры полупроводниковых материалов, определяющих чув­ ствительность ППД, а именно: концентрация носителей /гн; время жизни неравновесных носителей т; подвижность к и коэф­ фициент диффузии £>; средняя энергия со, затрачиваемая на образование одной пары неравновесных носителей; ширина запрещенной зоны Eg. Зависимость этих параметров от темпе­ ратуры рассмотрена в гл. 2, откуда следует, что в первую очередь необходимо учитывать температурные изменения к, пя, т. Какой из этих параметров является основным, зависит от типа детектора, схемы его включения и вида измеряемого сигнала.

В однородных детекторах температурные изменения тока определяются в основном изменениями коэффициента зарядо­ вого усиления с температурой. Поскольку этот коэффициент пропорционален времени жизни носителей одного знака, то именно изменения времени т и определяют температурную зависимость тока однородного детектора.

В CdS детекторах [250, 251] минимальное значение фото­ тока /ф приходится на область температур от —40 до —80° С. Максимум дозовой чувствительности находится в области 50— 100° С, следовательно, в практически используемом интервале температур (от 10 до 35° С) дозовая чувствительность увеличи­ вается. Температурный коэффициент составляет от 0,3 до 1% на ГС и уменьшается с ростом уровня возбуждения (в том числе и при «подсветке» для снижения инерционности). В моно­ кристаллах CdS с повышенной чувствительностью наблюдалось уменьшение тока /ф в интервале температур 20—45° С на 0,8— 2,5% на ГС [38]. Необходимо отметить разброс по величине (в 2—3 раза) температурных коэффициентов изменения тока даже у однотипных кристаллов. На характер температурной зависимости тока влияют контакты.

У всех типов неоднородных ППД наблюдается быстрый рост

примеси ионизированы, поэтому концентрация основных носи­ телей неизменна, а концентрация неосновных носителей, кото­ рой пропорционален ток / т, возрастает экспоненциально. Такой характер температурных изменений тока /т подтверждается экспериментально [252—254].

Чувствительность поверхностно-барьерных, диффузионно­ дрейфовых и р — і — п-ППД, включенных по диодной схеме, увеличивается с ростом температуры. В первых двух типах детекторов это происходит несколько быстрее из-за диффузион­ ной составляющей тока В диффузионных детекторах

127

составляющая тока, обусловленная носителями, образовавши­ мися в слое объемного заряда (/г), уменьшается с ростом тем­ пературы от 20 до 50°С на 24%. Однако увеличение диффу-' знойной составляющей тока /ф на 11% (в данном случае Лшф^ЛО с повышением температуры приводит к росту тока / ф со скоростью 0,35%/град, причем эта скорость несколько умень­ шается при увеличении напряжения U так как толщина слоя

объемного заряда пропорциональна У U. Уменьшение толщины слоя объемного заряда у этих детекторов, определенное по температурной зависимости тока Iф, согласуется с данными об изменении емкости в зависимости от температуры.

диффузионных детекторах. Таким образом, увеличение тока Ль с ростом температуры всех рассматриваемых типов ППД, включенных по диодной схеме, незначительно и не компенсирует роста тока /т. Поэтому порог чувствительности также увеличи­ вается с ростом температуры.

В счетном режиме амплитуда импульсов зависит от времени собирания неравновесных носителей, образовавшихся в слое объемного заряда. В рассматриваемом интервале температур подвижность носителей увеличивается с уменьшением темпера­ туры, поэтому амплитуда импульсов растет.

Л>40°С, причем тем быстрее, чем меньше напряжение смеще­ ния (более медленное разделение носителей). Например, при Л=80°С по сравнению с 20°С амплитуда импульсов уменьша­

факторами, что и в диодной схеме включения. Величина тока Іп зависит также от температурного изменения темнового сопро­ тивления р — «-перехода, которое быстро уменьшается с ростом температуры. Это приводит к уменьшению тока, протекающего через измерительный прибор, сопротивление которого (/?н) всегда конечно.

Таким образом, при любых значениях сопротивления нагруз­ ки ток в зависимости от температуры будет изменяться по кривой, расположенной между двумя предельными кривыми, одна из которых соответствует зависимости фототока Ліъ а вто­ рая— зависимости напряжения £/х.х от температуры.

На рис. 6.6 приведены эти зависимости для возбуждения ФЭП на основе кремния и GaAs световым излучением различйого спёктрального состава и рентгеновским излучением. Спектр светового коротковолнового излучения ограничен максимальной

128

длиной волны порядка 600 нм, минимальной 490 нм, длинно­ волнового излучения 1000 и 650 нм соответственно-.

Рис. 6.5. Зависимость тока от температуры: