книги из ГПНТБ / Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами

электрона в . полупроводниковом материале, .можно выбрать минимальные размеры толщины чувствительной области ППД, в пределах которой может произойти полная передача энергии электрона материалу детектора. Увеличение размеров чувстви­ тельной области ППД приводит к повышению макросечений взаимодействия у-квантов с веществом, т. е. к повышению эф­ фективности регистрации.

Выбирая материал для ППД, нужно учитывать, что только при фотопоглощении у-квант передает свою энергию полностью электрону! Поэтому для изготовления ППД целесообразно ис­ пользовать материал с большим эффективным атомным номе­ ром, поскольку сечение фотовзаимодействия пропорционально Z5;.,ф. С этой точки зрения германий по сравнению с кремнием — более предпочтительный материал для изготовления ППД.

Приведенные выше рассуждения относились к так называе­ мому одноэлектронному процессу взаимодействия у-кванта с веществом. Численные значения вероятности тех или иных про­ цессов взаимодействия для германия приводятся в табл. 5.1. Реальные детекторы имеют конечные значения объема чувстви­ тельной области, и одноэлектроппая модель взаимодействия применима для них только в первом приближении. Это положе­ ние хорошо иллюстрируется расчетными и экспериментальными данными,, приведенными в работах [3—5]. Полная потеря энер­ гии первичного у-кванта в чувствительном объеме ППД может происходить вследствие многократного комптоновского рассея­ ния с последующим фотопоглощением рассеянного у-кванта. Этот процесс экспериментаторы называют комптоновской пере­ качкой [6, 7].

Следует учитывать, что вероятность полного поглощения энергии у-кванта определяется не только эффективным атом­

чувствительной области ППД. В табл. 5.2 приведены плотность и линейные коэффициенты ослабления некоторых веществ, ко­ торые могут использоваться для изготовления детекторов у-нз- лучения. Из этой таблицы следует, что, несмотря на существен­ ные различия Z3C], у германия и йодистого натрия, значение коэффициентов ослабления у них отличаются лишь в 1,5 раза при энергии около 1 МэВ. На рис. 5.2 показано значение удель­ ных коэффициентов ослабления для некоторых материалов [8]. Нетрудно заметить, что наиболее перспективны так называемые тяжелые материалы, к которым относятся теллурид кадмия, йодистая ртуть, антимоннды галлия и индия, а также арсенид индия [9, 10].

Известно, что искажения на второй ступени передачи ин­ формации рассмотренной выше модели определяются коэффи­ циентом преобразования материала детектора, т. е. количест­ вом образованных носителей информации в материале детек-

180

Т а б л и ц а 5.1

Относительная вероятность фотопоглощения, образования пар

икомптоновского рассеяния для первого взаимодействия у квантов

вGe (Ы)-детекторе

181

тора. Полупроводниковый материал обычно характеризуют ве­

детектора было бы использование гипотетического детектора бесконечно большого объема, внутри которого располагался бы

182

любых процессов взаимодействия у-кванта с веществом проис­ ходила бы полная передача энергии у-кванта чувствительному объему детектора. Однако реально нельзя создать такой детек­ тор. Из-за технических причин современные-ППД у-излучения имеют объем чувствительной области, в лучшем случае прибли­ жающийся к 200 см3, и экспериментатору приходится выбирать детекторы, исходя из конкретных требований эксперимента.

Известно (см. гл. 1 и 2), что энергетическое разрешение ■спектрометра определяется в значительной мере емкостью, об­ ратным током и током поверхностной утечки ППД, которые в свою очередь зависят от конфигурации чувствительной области и технологии изготовления ППД. Так, для получения высокой эффективности регистрации предпочитают использовать детек­ торы с большим объемом и с максимально достижимыми отно­ шениями объема чувствительной области к площади ее поверх­ ности, а для получения высокого энергетического разрешения нужны детекторы с минимальными емкостями и токами, т. е. относительно небольшого объема. Учитывая такой несколько противоречивый подход к вопросу выбора детектора для спек­ трометрии у-излучения в широком энергетическом диапазоне (от единиц килоэлектронвольт до 10 МэВ), в настоящей главе будут рассмотрены детекторы и спектрометры на их основе, применяемые для спектрометрии у-квантов в диапазоне энер­ гий до нескольких мегаэлектронвольт. Характерные особенности детекторов, применяемых для спектрометрии рентгеновских и мягких у-квантов, рассмотрены в гл. 6.

Типы ППД, используемых для спектрометрии у-излучения. Первоначальные попытки использовать детекторы с п—р-струк- турой для спектрометрии у-излучения показали, что они обла­ дают низкой эффективностью регистрации [11]. Обусловлено это тем, что толщина чувствительной области у детекторов та­ кого типа в лучшем случае составляет: для германия доли миллиметра, а для кремния 2ч-3 мм.

Лишь только после сообщения [12] о возможности создания в детекторе областей полупроводникового материала с собст­ венной проводимостью, получаемых в результате компенсации литием исходного материала p-типа, начали широко использо­ вать ППД в у-спектрометрии. Забегая несколько вперед, от­ метим, что практически большинство всех разновидностей ППД, применяемых для спектрометрии у-излучення, основывается на использовании электронно-дырочных переходов, в которых име­ ются области с собственной проводимостью, полученные в ре­ зультате литий-дрейфовой технологии.

Планарные ППД (рис. 5.3, а) получают в результате прове­ дения высокотемпературной диффузии лития в поверхностный слой заготовки ППД и последующего дрейфа ионов лития в глубь материала заготовки. Эти детекторы характеризуются высокой однородностью электрического поля и, как следствие

183

этого, высокой эффективностью собирания носителей заряда. Именно этот фактор обусловливает то, что с использованием таких детекторов были получены наилучшие значения энерге­ тического и временного разрешения, близкие к своему теорети­ ческому пределу.

Рис. 5.3. Схематическое изображение структуры гер­ маниевых ППД:

Площадь чувствительной поверхности 5 таких детекторов может достигать 12-М 6 см2, а толщина чувствительной об­ ласти— 117=15-^20 мм. Электрическую емкость Спл планарного детектора можно оценить по формуле

184

Планарные детекторы получили наибольшее распространение в технике физического эксперимента из-за сравнительной про­ стоты изготовления и возможности изменения в широких пре­ делах размеров чувствительной области. У планарного ППД имеются довольно значительные мертвые слои со стороны д-кон- такта (до 0,5— 1,0 мм) и p-контакта (до нескольких милли­ метров). Боковые поверхности планарного детектора практи­ чески лишены мертвого слоя. Для уменьшения толщины мерт­ вых слоев ППД сошлифовывают мертвый слой со стороны р-областп и затем наносят металлический электрический кон­ такт вакуумным напылением непосредственно на /-область, при­ меняют также методы ионной имплантации ионов лития в заго­ товку ППД: получаются минимальные толщины мертвых слоев ППД [13— 15].

В отличие от планарных коаксиальные детекторы обладают существенно большими размерами чувствительной области, ко­ торая может достигать 170 см3 [16]. Коаксиальный детектор имеет по сравнению с планарным существенную неоднородность электрического поля, напряженность которого в пределах чув­ ствительной области может различаться в несколько раз. Этим объясняется то, что временные свойства коаксиальных детек­ торов хуже, чем свойства планарных, в несколько раз. Вслед­ ствие большого разброса времени собирания носителей, образо­ ванных в чувствительной области ППД, амплитуда сигнала на выходе усилительного тракта претерпевает относительно боль­ шие флуктуации: в итоге ухудшается энергетическое разреше­ ние и появляются хвосты на левом склоне пика полного по­ глощения.

Диаметр коаксиальных детекторов может достигать 45— 60 мм, длина слитка-заготовки определяется требуемым объе­ мом чувствительной области. В работе [17] указывается, что иаилучшпе характеристики ППД достигаются при отношении диаметра заготовки к ее длине, равном 0,7ч-1,5. Толщина чув­ ствительной области определяется глубиной дрейфа попов ли­ тия, и, как и у планарных детекторов, составляет 15—20 мм.

поверхности, ограничивающей /-область ППД; г — радиус внут­ ренней поверхности, ограничивающей /-область ППД.

Электрическую емкость коаксиального детектора с одним открытым концом (рис. 5.3, в) можно рассматривать как супер­ позицию емкостей коаксиального детектора с двумя открытыми концами и планарного детектора:

185

Толщина мертвых слоев у коаксиального детектора со сто­ роны /г-области, как и у планарных ППД, составляет сотни микрометров. Естественно, что торцевые поверхности, на кото­ рые выходит /'-область, имеют минимальные значения толщины мертвого слоя. Особо следует остановиться на некоторых осо­ бенностях некомпенсированной остаточной //-области исходногоматериала. Обычно эту область стараются сохранить достаточ­ но малой, поскольку в детекторе она играет полезную роль: обеспечивает электрический контакт с /-областью. Диаметр ос­ таточной р-областп не стремятся делать менее 6—8 мм, по­ скольку в противном случае вследствие возможной низкотемпе­ ратурной диффузии и дрейфа ионов лптня в сильных электрических полях вблизи p-области возможно появление пе­ ретяжки на //-области и она может «схлопнуться». Последний эффект приводит к тому, что в какой-то части чувствительной области напряженность электрического поля резко умень­ шается, поэтому носители в этой части практически не участ­ вуют в формировании выходного сигнала ППД. При «схлопы- ванип» //-области у коаксиального ППД с одним открытым концом, как правило, нельзя восстановить детектор.

Оставлять некомпенсированную область большого диаметра внутри ППД нецелесообразно по следующим причинам: вопервых, такой ППД будет иметь относительно невысокий коэф­ фициент использования довольно дорогостоящего полупровод­ никового материала, во-вторых, из-за относительно большой емкости (отношение R/r мало) такого ППД в измерительном тракте спектрометра будет создаваться повышенный уровень шума (см. гл. 2), в-третьих, наличие нечувствительной области внутри самого ППД может привести к дополнительным иска­ жениям аппаратурного спектра, это связано с тем, что //-об­ ласть в коаксиальном ППД-— дополнительный комптоповскнй рассеиватель у-излучения, поэтому даже при относительно боль­ шом объеме чувствительной области величина фотовклада мо­ жет быть низкой при неоптнмальном соотношении между конфи­ гурациям// объема чувствительной области и //-области.

В литературе появились сообщения [18—21] о создании детекторов, у которых удалена центральная //-область. Такие детекторы кроме преимуществ, связанных с отсутствием внут­ ренней //-области, обладают тем достоинством, что внутрь негоможет быть помещен исследуемый источник у-излучення, кото­ рый измеряется в этом случае в геометрии, близкой к 4.тт. Экс­ периментально обнаружили, что в этом случае возрастает н фотовклад за счет регистрации рассеянных комптоновских квантов. Такие детекторы находят применение в спектрометрии каскадных у-квантов. При помещении источника в центральную часть детектора п при регистрации всех каскадных у-квантов в чувствительной области детектора образуется сигнал, вели­ чина которого пропорциональна полной энергии каскадного пе­

186

рехода. Такие детекторы экспериментаторы обычно называют детекторами с колодцем.

Если у заготовки ППД с центральным отверстием проводить диффузию и дрейф ионов лития со стороны внутреннего ци­ линдра (рис. 5.3, г), можно получить так называемый «обра­ щенный» ППД. В добавление к описанным выше преимущест­ вам обращенный ППД имеет малую толщину мертвого слоя со ■стороны колодца, которая в худшем случае не превышает 1 мм.

Одна из модификаций ППД такой конфигурации— так на­ зываемый полутороидальный ППД (рис. 5.3, д). Преимущества такого детектора состоят в том, что для достижения одинако­ вого объема чувствительной области полутороидальный ППД не требует проведения дрейфа ионов лития иа предельные глу­ бины [22]. Кроме того, рабочие напряжения полутороидальных ППД могут быть ниже по сравнению с коаксиальными ППД при одинаковой напряженности электрического поля.

Еще одно свойство полутороидального ППД состоит в том, что электрическое поле в чувствительной области его более од­ нородно, что обеспечивает хорошие временные свойства такого ППД по сравнению с коаксиальным.

Емкость полутороидального ППД можно оценить по выра­ жению

( 5 - 4 >

где С — емкость ППД, пФ; S p, S n — площади соприкасаю­ щихся с /-областью р-областей и n-областей соответственно, см2; W — толщина /-области, см.

Детекторы коаксиальной конфигурации, несмотря на боль­ шой объем чувствительной области, имеют тем не менее до­ вольно низкий коэффициент использования полупроводникового материала. Этого недостатка при большом объеме чувствитель­ ной области лишены детекторы, изготовленные по так называе­ мой U-образной технологии [23]. Сущность технологии изготов­ ления такого детектора заключается в следующем. На брусок

конфигурация, похожая на конфигурацию «полукоаксиального» детектора. В результате последующих операций с боковых по­ верхностей заготовки стравливают д-слой (продолжается дрейф для подавления и выравнивания /7-гребия). Получившийся детектор имеет структуру, близкую к планарной, с тем лишь различием, что толщина /-области может составлять 20—30 мм. Такие детекторы имеют наивысшее значение коэффициента ис­ пользования материала и при достаточно большом объеме чув­ ствительной области обладают высокой однородностью элек­ трического поля.

187

Определенный интерес представляет ППД с конфигурацией, близкой к полусфере (рпс. 5.3, з). Такие детекторы, по-видимо­ му, имеют определенные перспективы для использования в спектрометрии у-излучения в диапазоне энергий 100— 1000 кэВ. Емкость такого ППД определяется выражением

тен для полусферического ППД, поэтому /7-область может быть достаточно малой. Это приводит к тому, что такие детекторы могут иметь электрическую емкость, определяемую в основном распределенной емкостью самого ППД и токоподводящпх цепей.

Совершенствование технологии изготовления полупроводни­ ковых материалов неизбежно привело к созданию так называе­ мого сверхчистого, или «гнперчпстого», германия. Практически это германий собственной проводимости, у которого разност­ ная концентрация примесей проводимости не превышает 1010— 10“ см-3. Из такого материала легко изготовить детекторы пла­ нарной п—р-структуры [24—28]. За счет диффузии или ионной имплантации на противоположных сторонах заготовки ППД создаются контакты из соответствующих материалов, легирую­ щих исходный материал.

При известных значениях разностной концентрации приме­ сей в исходном материале и рабочего напряжения можно легкооценить толщину обедненной (для данного ППД — чувствитель­ ной) области при использовании номограммы, приведенной па рис. 5.4 [29]. Электрическую емкость такого детектора можнорассчитать по формуле (5.1).

Как видно из номограммы, толщина чувствительной области ППД из гиперчнстого германия в существенной мере зависит от того, насколько хорошо очищен материал от примесей.

Другой фактор, определяющий толщину чувствительной об­ ласти,-— рабочее напряжение ППД. К идеальному детектору можно приложить сколь угодно большое рабочее напряжениедля увеличения толщины его чувствительной области. На са­ мом же деле это не так, объясняется это несколькими причи­ нами. Одна из них—-в том, что у реального детектора нередко образуются проводящие каналы на боковой поверхности элек­ тронно-дырочного перехода. Поэтому предельно допустимое рабочее напряжение ППД определяется не пробоем его п—р- перехода, а избыточным шумом, резко снижающим спектромет­ рические качества ППД. Детекторы из суперчистого материала имеют обнадеживающие перспективы их широкого использова­

188

можно заключить, что основные преимущества ППД из герма­ ния собственной проводимости следуют пз отсутствия процесса компенсации исходного полупроводникового материала литием, что обеспечивает практическую возможность создания чувстви­ тельной области ППД требуемой толщины.

Экспериментатор при обращении с таким ППД может не заботиться об их охлаждении в нерабочем состоянии. В этом

W10

W00

W"

I

^ w'Z

ГТ

•'? '

Рис. 5.4. Номограмма для определения параметров детекто­ ров из германия собственной проводимости.

случае не наолюдается преципитация лития, которая приводит к необратимым ухудшениям измерительных параметров герма­ ниевых диффузионно-дрейфовых ППД. У детекторов, изготов­ ленных из германия собственной проводимости, практически от­ сутствует явление захвата носителей заряда, приводящее к. ушнрению спектральной линии и появлению «хвоста» («затя­ гивание») .

В зависимости от технологии нанесения контактных легиро­ ванных слоев и их пространственного расположения детекторы из германия собственной проводимости могут быть по конфи­ гурации и планарными, и коаксиальными.

Другой тип детектора, широко используемый в спектромет­ рии у-излучения, — ППД из германия я-типа, ко.мпенсирован-

189-