книги из ГПНТБ / Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений

Генерационная компонента тока ППД с толстой обедненной об­ ластью *, работающих по диодной схеме, существенно превы­ шает диффузионную.

Поверхностная составляющая /п сильно зависит от техноло­ гии изготовления, свойств материала, окружающей среды и мо­ жет быть различна даже в однотипных образцах. Сложность поверхностных явлений [50] и их недостаточная изученность за­ трудняют расчет этой компоненты тока.

Формулы, описывающие фототок при возбуждении р—«-пе­ рехода светом [52; 53], могут быть применены и при возбуж­ дении ионизирующим излучением, несмотря на существующие различия в коэффициентах ослабления (рис. 4.2) (если прене­ бречь различием в параметрах неравновесных носителей, обра­ зованных в результате взаимодействия этих видов излучения с полупроводником).

В ППД с обедненной областью толщиной d0 (см. рис. 4.1),

ника в единицу времени под действием излучения, фототок ра­ вен

Pc — эффективность собирания носителей; g0— число пар носи­ телей, образующихся в поверхностном слое толщиной dx в

поле обедненного слоя d0 (4.53). Уточненный расчет эффектив­ ности т|с приведен в работах [54—56].

Если толщина обедненного слоя сравнима с диффузионной длиной в каждой из областей, рекомбинация неравновесных но­

• и da/Lp<l.

70

показанной на рис. 4.1, то фототок /ф при облучении параллель­ ным потоком фотонов находят по формуле [57]

{Ix^Ltndр

-9. 9 . -г [1 — ехр (— Мо)] +

llz Lp 1

где an и ap — коэффициенты, учитывающие рекомбинацию на контактах; р2 — линейный коэффициент ослабления.

Рис. 4.2. Зависимость коэффициентов ослабления р2 и слоев половинного ослабления (А) от энергии моноэнергетнческого у-излучения (кривые 3 и 4, энергия £ѵ) и све­

тового (кривые 1 и 2, энергия £ с) для Si (кривые 2 и 4)

иGaAs (кривые 1 и 3).

Вэтом уравнении первая составляющая множителя в фигур­ ных скобках пропорциональна числу неравновесных носителей, собранных с /г-слоя, вторая — образованных в обедненном слое, третья — собранных с ц-слоя.

71

Значения коэффициентов ап и ар определяются по форму­ лам:

Для поверхностного слоя при dn<^Lp\ цд^„<СІ,т. е. sli(—^

:и ch ( — :1, коэффициент ар равен

Более подробно зависимость Iф от геометрии ППД, интен­ сивности излучения и других факторов рассмотрена в § 4.3.

К основным характеристикам детектора относятся: вольт-

в работах [21, 37, 58, 59]. Для практических расчетов ограни­ чимся простейшей формулой вольт-амперной характеристики для тонкого р—/z-перехода [37]

где /н — ток на выходе детектора; U — напряжение на р—п-пе­ реходе; А — коэффициент, изменяющийся для кремниевых ППД в пределах 1<Л<3.

На основании формулы (4.21) вводится понятие темнового сопротивления детектора (Ro), численно равного сопротивлению

72

Уравнение (4.21) справедливо и при фотовольтаическом включении детектора. Ток на выходе детектора (см. рис. 4.1, а, цепь показана пунктиром) при этом равен

ку — зависимость напряжения на р — «-переходе от сопротивле­ ния нагрузки RH. Эта характеристика является зеркальным отображением участка прямой ветви в. а. х. в четвертом квад­ ранте (см. рис. 4.3, кривая 3).

Вольт-емкостная характеристика, т. е. зависимость емкости Сд от напряжения на р—-«-переходе, в общем случае описыва­

где т с=0,5 для ступенчатого р — «-перехода, тс= 0,33 при плав­ ном р — «-переходе; С\ — емкость при U+UK=\ в.

С учетом сопротивления базы Ro, ее емкости Сб и сопротив­ ления контактов RK. на рис. 4.4 приведены эквивалентные схемы детектора с р—«-переходом, на выходе которого включена на­ грузка с емкостью Сн и сопротивлением Ra-

Работе детектора, включенного по диодной схеме, соответст­

73

Емкость базы Сб и сопротивление Re образуются участком нечувствительного слоя в области тыльного контакта толщиной

(см. рис. 4.1). Их значения соответственно равны:

(4.26)

тХГЙ-р

где е — диэлектрическая постоянная, равная 12 для кремния. Сопротивление омических контактов (Ru) обычно не превышает нескольких сот ом.

Рис. 4.4. Эквивалентные схемы детектора с р — «-перехо­ дом, включенного по диодной (а) и вентильной (б) схемам.

Обратный ток /т, согласно схеме, приведенной на рис. 4.4, а, создает шумы на нагрузочном резисторе Rm пропорциональные абсолютному значению этого тока.

Шум детектора принято измерять поглощенной энергией ча­ стицы (Ет ), которая создает на выходе детектора сигнал, рав­ ный среднеквадратической величине напряжения шума. При ана­ лизе работы ППД, включенного по диодной схеме, различают следующие шумовые компоненты [30, 60—62].

Тепловой шум обусловлен флуктуациями скорости тепло­ вого движения носителей заряда в полупроводнике. Этот шум распределен равномерно по всем частотам f (от 0 до оо).

74

Энергия Em\, соответствующая среднеквадратической величине напряжения от теплового шума, равна

Для кремниевых ППД (при их емкости Сд, выраженной в пико­ фарадах и ш= 3,5 эв) энергия £ ші равна

Токовый шум (энергия ЕДг) состоит из трех компонент [30]: дробовой, генерационно-рекомбинационной и избыточной. Пер­ вые две компоненты образуют шум с энергией (при нормальных условиях) не свыше 2—3 кэв.

Энергия избыточного шума в 2—3 раза превышает приведен­ ные значения. Природа этого шума еще недостаточно изучена. Суммарная энергия шума (-ЕД) детектора равна

В изготавливаемых в настоящее время кремниевых детекто­ рах при нормальных условиях £ ш^ 1 0 кэв.

При включении ППД по вентильной схеме шумы значитель­ но меньше, так как обусловлены в основном фототоком, проте­ кающим через контакты, и флуктуациями скорости поверхност­ ной рекомбинации.

При дозиметрических измерениях с ППД, включенными поі фотовольтаической схеме, влияние шумов можно не учитывать

(Еш< 1 кэв).

Методы, аппаратура и техника измерений рассмотренных па­ раметров и характеристик ППД приведены в работах [63—66].

§ 4.3. ТИПЫ ДЕТЕКТОРОВ

Диффузионные детекторы и фотоэлектрические преобразователи

Применение в дозиметрии серийно выпускаемых фотоэлектри­ ческих преобразователей солнечного излучения (ФЭП) на ос­ нове Si и GaAs обусловлено их доступностью, невысокой стои­ мостью при чувствительности к излучению, всего в 2—4 раза меньшей, чем диффузионных кремниевых детекторов [7, 8, 67—69]. Обычно ФЭП изготавливают на основе низкоомного кремния (ряв 10 ом • см), а диффузионные детекторы — из высо­ коомного.

Диффузионные детекторы предназначены для работы по ди­ одной схеме, ФЭП — по вентильной. Значительная чувствитель­ ность ФЭП к солнечному излучению позволяет их использовать в комбинированных детекторах (см. гл.. 5). По всем другим

75

свойствам диффузионные детекторы предпочтительнее ФЭП при их применении для дозиметрии (табл. 4.1). В обоих типах при­ боров р — «-переход образуется диффузией примеси (преимуще­

Ro шунтирован сопротивлением /?ш= (0,5—1)/?о (см. рис. 4.4,6, пунктир). В общем случае коэффициент А зависит от напря­ жения U, уровня возбуждения (интенсивности излучения) и тем­ пературы [70, 71].

Физические причины изменений А (и аномально больших значений тока утечки /т) не совсем ясны [72].

Основной недостаток диффузионной технологии — это боль­ шое уменьшение диффузионной длины неосновных носителей (Ьи) в процессе изготовления ППД. В качестве причин снижения Ln следует указать загрязнение исходного образца быстро диф­ фундирующими примесями, образующими дополнительные центры рекомбинации, образование в р—«-переходе металли­ ческих включений [73]. В выпускаемых промышленностью ФЭП диффузионная длина составляет 30—150 мкм, фактически в 3—5 раз меньше, чем в исходном кремнии.

Свойства диффузионных р—«-переходов на основе GaAs описаны в работах [74—78]. Фотопреобразователи на основе GaAs изготавливают из материала «-типа (Na~ 5- ІО17 см3) так­ же диффузией при температуре около 800° С. Вольт-амперная характеристика этих ФЭП (см. рис. 4.5) удовлетворительно со­ гласуется с расчетной на основе теории Шокли [78]. Как и в кремниевых ФЭП, коэффициент А в формуле (4.21) и ток /т за­ висят от технологии изготовления [76].

Следует отметить, что ток / т ФЭП на основе GaAs на поря­ док ниже, чем кремниевых, а сопротивление Rо на порядок вы­ ше (см. табл. 4.1). Емкость приблизительно в пять раз больше, так как толщина р—«-перехода в GaAs не превышает десятых долей микрона, диффузионная длина LH^ 1 0 —20 мкм. ФЭП на основе GaAs стабильны в работе, превосходя по этому пара­ метру другие типы ППД.

Из числа специальных типов детекторов диффузионным ме­ тодом изготовлены миниатюрные цилиндрические детекторы на основе GaAs «-типа проводимости диаметром 2,5 мм и длиной 10—25 мм [79], имеющие £!(Д>400 ком.

К числу специальных типов ППД следует также отнести и так называемые фотовольты [80, 81], состоящие из последова­ тельно соединенных р—«-переходов, число которых может до­ стигать нескольких сот на 1 см2. Фотовольты имеют большое со­ противление Ro, что позволяет использовать их в схемах с вы­ сокоомным входом.

76

79