книги из ГПНТБ / Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами

рых были созданы коаксиальные диффузионно-дрейфовые де­ текторы. При изготовлении таких детекторов литий наносят на боковую цилиндрическую поверхность кристалла. После диф­ фузии и последующего дрейфа лития на определенную глубину, которая определяется свойствами исходного германия и техно­ логией дрейфа, области материала различной проводимости располагаются симметрично (коаксиальио) относительно оси цилиндрической заготовки (рис. 1.2,г). При такой технологии /-область выходит па верхний и нижний торцы цилиндра. Детек­ торы данной конфигурации в технической литературе называют коаксиальными ППД с двумя открытыми концами. Централь­ ную некомпенсированную часть детектора именуют «/7-пальцем» или «/7-стержнем».

Если в процессе изготовления коаксиального ППД литий наносят на одну из торцевых плоскостей цилиндра, получаю­ щийся детектор имеет чувствительную область, охватывающую некомпенсированную /7-область с боков и сверху. Про такие детекторы говорят, что они имеют один открытый конец. Не­ трудно заметить, что при одинаковых геометрических размерах к одинаковых условиях изготовления детекторы с одним откры­ тым концом имеют больший объем чувствительной области, чем ППД с двумя открытыми концами, т. е. коэффициент использо­ вания полупроводникового материала у детекторов первого типа выше, чем у второго.

В некоторых случаях для изготовления коаксиальных ППД используют германиевые слитки, поперечное сечение которых по форме напоминает трапецию. В этом случае если детектор из­ готавливают с двумя открытыми концами, его называют «четы­ рехсторонним», так как дрейф лития проводят с четырех боко­ вых поверхностей. Если же детектор изготавливают с одним открытым концом, его называют «пятпсторонпим», так как дрейф лития проводят с четырех боковых поверхностей и одного торца.

Следует отметить, что из-за относительно высокой подвиж­ ности лития в германии Се(Ы)-ППД необходимо постоянно держать при низких температурах (примерно ниже 200 К) для сохранения его эксплуатационных характеристик. При более высоких температурах может произойти «раздрейфование» де­ тектора, в котором под действием контактной разности потен­ циалов ионы лития начнут дрейфовать, образуя связи с герма­ нием и примесями, в результате материал может раскомпенсироваться, а детектор — необратимо выйти из строя.

Другой способ компенсации, используемый при изготовле­ нии германиевых ППД из материала с /i-тнпом проводимости, заключается в создании радиационных дефектов в полупровод­ никовом материале. При облучении германия д-типа жесткими у-квантами образуются глубокие акцепторные уровни, которые при определенном дозировании облучения могут компеисиро-

10

вать донорные уровни исходного германия. Толщина чувстви­ тельного слоя таких детекторов лежит в пределах 0,5—5 мм, что определяется свойствами исходного полупроводникового материала и дозировкой облучения. В литературе такие ППД называют германиевыми радиационными детекторами. По струк­ туре радиационные детекторы — детекторы планарного типа. В отличие от литнй-дрейфовых радиационные ППД можно дли­ тельное время хранить при комнатной температуре, эксплуата­ ционные характеристики их не изменятся.

Для создания относительно больших чувствительных объ­ емов необходимо использовать материалы с собственной прово­ димостью. Создание материалов с проводимостью, близкой к собственной проводимости, достигается компенсацией материала при помощи легирующей примеси. И только в последние годы обеспечены технические и технологические предпосылки изго­ товления германия с проводимостью, приближающейся к соб­ ственной [10]. Были изготовлены образцы поверхностно-барьер­ ных ППД из так называемого «сверхчистого» германия. Детек­ торы имели толщину чувствительной области несколько милли­ метров и хорошие спектрометрические параметры, их можно хранить при комнатной температуре. Говоря о достоинствах де­ текторов из сверхчистого германия, следует помнить, что они еще находятся на стадии лабораторных исследовательских об­ разцов.

Собственно элеКтронно-дырочные переходы еще не являются детекторами ионизирующих излучений. Полученный в резуль­ тате выполнения определенной последовательности технологиче­ ских операций «голый» электронно-дырочный переход крайне неустойчив к внешним воздействиям (климатическим, механиче­ ским и др.), поэтому электронно-дырочный переход защищают, 'помещая его в корпус или капсулу. Корпус ППД должен обес­ печить работоспособность детектора при его перемещениях и механических нагрузках, защищать от атмосферных воздейст­ вий, от света, и позволить оператору производить различные манипуляции с детектором. Некоторые типы ППД, например германий-литий-дрейфовые, необходимо помещать в специаль­ ные блоки детектирования, чтобы обеспечить условия для их длительной сохранности и эксплуатации. Поскольку эти блоки детектирования, называемые криостатами, обеспечивают полную изоляцию ППД от внешней среды, детектор в этом случае может представлять собой «голый» кристалл с выращенным электронно-дырочным переходом. В этом случае детектор назы­ вают детектором открытого типа. Такие детекторы применяют также при спектрометрии рентгеновского, мягкого уизлучения и при исследовании частиц высоких энергий, когда необходимо до минимума снизить влияние на результаты измерений раз­ личных поглотителей и рассеивателей.

Широкое применение ППД стало возможно, поскольку одно­

11

временно решалась задача уменьшения энергетического эквива­ лента шумов ППД. Иначе высокое значение коэффициента пре­ образования в ППД не имело бы смысла. Поясним это на при­ мере. Созданный ионизирующей частицей в ППД заряд, пока он не собран па выходных электродах ППД, практически не информативен. Задача состоит в том, чтобы его быстро и пол­ ностью собрать и зарегистрировать. Это, в свою очередь, предъявляет определенные требования к полупроводниковому материалу детектора и напряженности электрического поля в нем. Действительно, рожденные свободные носители заряда должны «жить» достаточно долго (по крайней мере в течение времени, пока их не собрали). Потерн носителей заряда могут происходить вследствие рекомбинации, захвата или прилипания и при попадании носителей в области, где напряженность элек­ трического поля либо мала, либо вообще отсутствует. Поэтому каждый изготовленный детектор должен характеризоваться вы­ сокой эффективностью собирания заряда. Вообще не обяза­ тельно стремиться к тому, чтобы эта величина была равна еди­ нице. Гораздо важнее постоянство * этой величины по всему объему чувствительной области ППД, иными словами, важнее требование минимальности величины

V

J [к2(у) — х2(v) ] dv

Ах (и) = —------------------------ ,

V

где y.(v) — эффективность собирания.

В этом случае собираемый на выходных электродах ППД заряд, созданный моноэнергетической ионизирующей частицей, будет иметь минимальный разброс. Очевидно, наиболее совер­ шенные ППД будут иметь предельное значение Дщ равное кулю. При этом считается, что создаваемый первичный заряд имеет минимальную начальную дисперсию, которая опреде­ ляется в первую очередь коэффициентом преобразования.

Если собранный па выходных электродах заряд «лежит» в шумах, то ни о какой прецизионности измерения энергии иони­ зирующей частицы не может быть и речи. Поэтому как детек­ тор, так и последующая электронная аппаратура, усиливающая и обрабатывающая сигнал ППД, должны вносить минимальный вклад шумов в тракт регистрации сигнала ППД с тем, чтобы отношение сигнал/шум было максимально. Если на величину полезного сигнала ППД экспериментатор и изготовитель не могут оказывать воздействия, то для реализации наибольшего значения отношения сигнал/шум необходимо н можно принять меры, чтобы уменьшить «размытие» полезного сигнала ППД шумами. Величина шума зависит от многих факторов, в том числе от некоторых параметров ППД, к ним в первую очередь

* Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в гл. 5.

12

Обратный ток i0бр — ток, протекающий через ППД при при­ ложении к нему обратного напряжения.

Рекомендуемый диапазон рабочего напряжения U — интер­ вал от рабочего напряжения U\, при котором уровень шума воз­ растает на 10% его минимального значения, до рабочего на­ пряжения U2, при котором значение шума в три раза больше его минимального значения, причем Uo не должно быть больше

максимальное допустимое значение постоянного обратного на­ пряжения, при котором в течение длительного времени еще не имеют места необратимые изменения параметров детектора.

Емкость Си — емкость ППД при рабочем напряжении, из­ меренная между собирающим электродом и заземленными по переменному напряжению остальными электродами и корпусом детектора.

Выходной заряд Q — количество электричества на выход­ ных электродах ППД, обусловленное сбором носителей заряда, образованных при попадании в чувствительную область ППД отдельных ионизирующих частиц.

Время нарастания импульса напряжения ty или тока ^ —

промежуток времени, в течение которого на выходных электро­

гии, теряемой регистрируемой частицей в пределах чувствитель­ ной области ППД.

Перевод величии Q/E в N/E производят по формуле

- £ - = 1,6 ■ 1 0 - 16— .

Е Е

Эффективность собирания заряда х(% ) — отношение выход­ ного заряда к заряду, создаваемому отдельной ионизирующей частицей в чувствительной области детектора.

Собственный фон — скорость счета импульсов на выходных электродах ППД, определяемая наличием радиоактивности в конструктивных элементах и материалах ППД.

Фон — скорость счета импульсов иа выходных электродах ППД, определяемая наличием радиоактивности в конструктив­ ных элементах и материалах ППД, окружающей среде и косми­ ческим излучением.

Шум Ош (кулоны или число электронов) — среднеквадрати­ ческое значение электрического заряда, возникающего на вы­

14

ходных электродах ППД в отсутствие падающего на него по­ стороннего излучения, н не связанное с регистрацией фона.

Отношение сигнал/шум Q/Qm— отношение величины выход­ ного заряда, снимаемого с ППД при регистрации ионизирующей частицы данной энергии, к величине шума ППД, измеренного при тех же условиях.

Энергетическое разрешение АЕ — выраженная в энергетиче­ ских единицах ширина распределения амплитуд импульсов, из­ меренная на его полувысоте и соответствующая полному погло­ щению в чувствительной области ППД данного моноэнергетического ионизирующего излучения.

Относительное энергетическое разреш ение г|(%) — выражен­ ное в процентах отношение ширины распределения амплитуд импульсов, измеренное на его полувысоте, к наиболее вероятной амплитуде импульса, соответствующего полному поглощению в чувствительной области ППД данного моноэнергетического ионизирующего излучения.

Радиационный ресурс Ф — интегральный поток ионизирую­ щего излучения, падающий на входное окно ППД и приводя­ щий к уменьшению отношения сигнал/шум в два раза при не­ изменном рабочем напряжении.

Абсолютный радиационный ресурс Фм — интегральный по­ ток ионизирующего излучения, падающий на входное окно и приводящий к уменьшению отношения сигнал/шум до значе­ ния Q/Qm—1 при неизменном рабочем напряжении.

Отношение сигнал/шум относится к определенному виду ионизирующего излучения и к определенному значению энер­ гии ионизирующей частицы.

Допустимая освещенность фдоп — величина постоянной освещенности входного окна, приводящая к увеличению шума в три раза по сравнению с его значением при минимальном рабо­ чем напряжении рекомендуемого рабочего диапазона.

Обычно выходной сигнал (заряд) ППД пропорционален энергии, потерянной ионизирующей частицей в пределах чувст­ вительной области, а величина этого заряда определяется энер­ гией образования пары электрон — дырка для полупроводни­ кового материала, используемого в ППД.

В этом и последующих определениях для простоты полагаем, что эффективность собирания заряда в чувствительной области ППД равна единице. Для ППД, работающих в этом режиме, величина заряда будет определяться выражением

15

К категории таких ППД относят ППД поверхностно-барь­ ерного, диффузионно-дрейфового типов и некоторые ППД про­ водящего типа [11 — 14], в качестве аналога среди газовых де­ текторов для них можно указать ионизационную камеру.

В отличие от этих детекторов усиливающий ППД имеет вы­ ходной сигнал (заряд), величина которого соответствует боль­ шему энерговыделению по сравнению с энергией ионизирующей частицы, потерянной в чувствительной области, при данном коэффициенте преобразования для полупроводникового мате­ риала, используемого в ППД, т. е.

где Л1 — коэффициент усиления.

К категории усиливающих ППД можно отнести электронно­ дырочные ППД с транзисторной структурой, ППД с внутрен­ ним усилением и ППД проводящего типа, работающие в ре­ жиме «сквозного тока» [14]. Аналог усиливающего ППД — пропорциональный счетчик.

Иногда используют понятие счетного ППД, па выходе кото­ рого возникает сигнал (заряд) при числе образованных в чувст­ вительной области ионизирующей частицей носителей N, пре­

где /= 1 при N = E/b> N 0; / = 0 при N = E/e<No\ Е — энергия, по­ терянная ионизирующей частицей в чувствительной области ППД.

К категории счетных ППД можно отнести электронно-ды­ рочные ППД, работающие в лавинном режиме, и тонкие ППД проводящего типа, работающие в режиме «сквозного проводя­ щего канала» [11 — 13]. Аналог счетного ППД — счетчик Гей­ гера — Мюллера.

ППД можно использовать в токовом режиме, который ха­ рактеризуется тем, что с выхода ППД снимается ток, пропор­ циональный числу попавших в чувствительную область иони­ зирующих частиц в единицу времени и их энергии, т. е.

где N{E, t) — функция распределения частиц.

ППД, работающие в токовом режиме, могут, так же как и

рый характеризуется тем, что с ППД снимается сигнал, пара­ метры которого определяются числом ионизирующих частиц,

16

попавших в его чувствительную область. В настоящее время ПГ1Д, работающие в интегральном режиме, основное примене­ ние нашли в нейтронной дозиметрии.

Поскольку книга посвящена применению ПГТД в спектромет­ рии ионизирующих излучений, токовый и интегральный режимы работы ППД в дальнейшем рассматривать не будем. Читате­ лям, интересующимся применением ППД в указанных режимах, можно порекомендовать работы [14, 15].

Появление полупроводниковых транзисторов и диодов, их широкое внедрение в электронную технику наложили свой от­ печаток на характер развития исследований и разработок полу­ проводниковых детекторов. Широкое промышленное освоение

предопределили появление первых полупроводниковых детекто­ ров из этих материалов. Быстрое промышленное освоение де­ текторов и широкое их применение в различных отраслях науки п техники были обусловлены высоким уровнем технологии про­ изводства полупроводниковых элементов. При этом следует от­ метить выявившиеся в первые же годы освоения и выпуска по­ лупроводниковых детекторов различия в требованиях как к самому исходному материалу для ППД, так и к некоторым тех­ нологическим вопросам производства ППД. Параметры ППД во многом определяются свойствами исходного материала, из которого их изготовляют, поэтому некоторые общие вопросы выбора материала будут рассмотрены несколько подробнее.

§ 1.2. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Без правильного и всестороннего понимания явлений, проис­ ходящих в ППД при регистрации ионизирующего излучения, и причин, определяющих главные эксплуатационные характери­ стики спектрометров с ППД, трудно реализовать на практике их большие возможности.

Физические процессы, протекающие в ППД, и влияние на них внешних условий, несомненно, более сложны, чем при ре­ гистрации излучения детекторами других типов. Это обуслов­ лено особенностями самих полупроводниковых материалов, а также механизмом создания в них сигнала.

Начальная стадия процесса преобразования информации обизлучении, регистрируемом в ППД, — торможение заряженной частицы и образование носителей заряда различного знака — принципиально не отличается от этой стадии в газовой иониза­ ционной камере, если не считать того, что тормозная способ­ ность полупроводникового материала на несколько порядков выше, чем тормозная способность газообразных сред.

На этом аналогия, однако, заканчивается, и для дальнейше­ го изучения необходимо остановиться па структуре среды, осо-

17

•беппостях движения и сбора образовавшегося заряда в ППД. Хотя носители заряда образуются при прохождении заряжен­ ной частицы во всех без исключения твердых телах (так же как и в жидких и газообразных), далеко ие все можно исполь­ зовать в качестве исходных веществ для изготовления детекто­ ров ионизирующих излучении.

Материал, используемый для изготовления «твердой иони­ зационной камеры» для спектрометрических целей, должен удовлетворять ряду специфических требований:

1. Сопротивление материала электрическому току должно быть достаточно велико. Для сбора образовавшегося заряда, как и в газонаполненном детекторе, к твердому детектору при­ кладывают напряжение значительной величины. В отсутствие воздействия излучения в его цепи ие должен существовать электрический заряд, способный заметно исказить величину за­ ряда, возникшего в объеме при воздействии излучения. При рабочей температуре вещество детектора должно иметь мини­ мально возможное число свободных носителей. Этот минимум в каждом конкретном случае определяется энергией регистри­ руемой частицы или кванта и допустимым ухудшением энерге­ тического разрешения детектора.

2. Внутренняя структура материала и его свойства должны быть таковы, чтобы весь образовавшийся в детекторе заряд или большая его часть могли быть собраны на соответствую­ щих электродах, т. е. требуется, чтобы эффективность собира­ ния была близка к единице. Это выполнимо, когда вещество детектора не содержит значительного числа ловушек с боль­ шим сечением захвата носителей, приводящим к их длительной задержке или рекомбинации.

3.Носители заряда должны иметь высокие подвижность и Еремя жизни в полупроводниковом материале. Эффективность собирания носителей будет тем выше, чем быстрее носители будут собраны в электрическом поле. Кроме того, выходной импульс тока будет иметь крутой фронт нарастания.

4.Энергия образования пары носителей заряда должна быть минимально возможной. При этом статистические флуктуации числа созданных зарядов уменьшаются, а следовательно, со­ здаются условия для получения высокого энергетического раз­ решения.

5.Эффективный атомный номер материала детектора дол­ жен быть возможно более высоким. Это требование связано с необходимостью обеспечения высокой чувствительности детек­ торов излучения, эффективность поглощения которого резко зависит от заряда ядра тормозящей среды.

Отметим сразу, что материала, удовлетворяющего всем этим требованиям, в природе не существует. Так, изоляторы, веще­ ства с очень высоким сопротивлением, имеют совсем мало сво­ бодных носителей. Однако время жизни носителей и их по­

18

движность в этих веществах весьма малы. Кроме того, ловуш­ ки, в большом количестве присутствующие в этих материалах, предпочтительно захватывают и удерживают продолжительное время носители какого-либо одного знака, в результате чего возникает сильная поляризация, препятствующая длительной непрерывной эксплуатации детектора.

Продолжительные теоретические и экспериментальные ра­ боты показали, что в настоящее время наиболее полно пере­ численным требованиям отвечают кремний и германий, эле­ менты IV группы периодической системы, относящиеся к клас­ су полупроводников.

Широкое использование кремния и германия в качествематериалов для изготовления твердотельных детекторов объяс­ няется и высокой технологической отработкой процессов изго­ товления этих материалов, поскольку в силу исторических об­ стоятельств их широко используют для изготовления диодов и транзисторов в электронной промышленности.

Кремний и германий образуют правильную кубическую про­ странственную кристаллическую структуру, в которой каждый; атом, расположенный в узле решетки, связан с остальными четырьмя атомами внешними валентными электронами. В кри­ сталлической решетке электроны соседних атомов становятся паритетными, так что каждый атом оказывается окруженным восемью электроиами.

Такая правильная структура присуща только идеальным кристаллам и обычно не реализуется на практике. По многим причинам идеальная структура нарушается вследствие различ­ ных несовершенств кристаллической решетки. В частности, на место атома кристалла может попасть атом другого элемента,, в результате чего возникнет дефект замещения.

При других условиях в решетке кристалла может отсутст­ вовать один атом, что вызовет появление вакансии или так на­ зываемого дефекта Шоттки. Атом основного элемента, обра­ зующий кристалл, может быть расположен не в узле решетки, а в междоузлии, образуя междоузельный эффект, либо можетперейти из узла в междоузлие, создав дефект по Френкелю. Под влиянием внешних условий эти дефекты могут возникать,, исчезать, переходить один в другой.

Описанные дефекты кристаллической решетки носят локаль­ ный, точечный характер, поскольку они связаны с неправиль­ ным расположением одного-двух атомов. Наряду с точечными микродефектами в кристаллах мог\т возникать и макродефекты с более протяженной пространственной структурой, вызванныенеправильным расположением многих атомов и атомных полу­ плоскостей, в результате возникают дислокации различного рода (краевая, винтовая и др.). Такие несовершенства возни­ кают в результате термических и механических напряжений, неоднородности условий роста по сечению и объему кристалла

19'