книги из ГПНТБ / Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами

Если обозначить

(электронной и дырочной). При этом носители, принимающие участие в образовании выходного импульса ППД, имеют по­ движности, различающиеся по своей абсолютной величине только в несколько раз.

Рассмотрим наиболее простой пример планарного литийцрейфового детектора с постоянным электрическим полем, в котором отсутствуют захват и рекомбинация носителей. Просле­ дим образование импульсов тока в случаях, когда пара носите­ лей образовывается у р-слоя 1, у п-слоя 2 и в середине обед­ ненной области 3 (рис. 1.10, а). Ток i, создаваемый единичным носителем, определяют

ложенное к ППД обратное напряжение; W — толщина обеднен­ ной области.

40

Если предположить, что подвижность электронов втрое больше подвижности дырок, то форма импульса тока в указан­ ных трех случаях будет иметь вид, показанный па рис. 1.10,6. Форма импульса напряжения при бесконечно большой нагрузке будет соответствовать виду, приведенному на рис. 1.10, в. На практике в образовании импульсов тока ППД принимает уча­

ласти ППД. В результате реальные длительности импульсов тока ППД оказываются заключенными между временами, соот­ ветствующими случаям 1 и 2. Отметим, что эта зависимость про­ падает, если подвижности электронов и дырок становятся рав­ ными по абсолютной величине.

Полное время нарастания выходного импульса ППД опре­ деляется временем сбора носителей, обладающих меньшей по­

усложняется, а время нарастания выходного импульса ухуд­ шается, если полупроводниковый материал детектора содер­ жит центры захвата, а время, проводимое носителями в ловуш­ ках, оказывается сравнимым (или даже большим) с временем собирания. Кроме того, носители разных знаков захватываются по-разному ловушками, имеющими обычно различные харак­ терные времена захвата.

В большинстве случаев время нарастания выходного им­ пульса ППД полностью зависит от величины и распределения электрического поля в обедненной области, ее толщины, числа и распределения по объему ППД центров захвата и их харак­ терных времен захвата, а также подвижностей носителей за­ ряда. Поскольку увеличение времени сбора за счет захвата но­ сителей ловушками не поддается строгому учету, обычно рас­ сматривают более простую модель, где считают, что это время определяется только величиной напряженности приложенного

41

к ППД электрического поля, подвижностью носителей и тол­ щиной обедненной области детектора. Согласно этим допуще­ ниям в такой модели максимальное время сбора носителей t в планарных литий-дрейфовых ППД равно

участие носители обоих знаков, время сбора t будет представ­ лять собой суперпозицию времен собирания носителей обоих знаков. Полученная таким образом величина t, естественно, будет верхним пределом возможного времени нарастания им­ пульса. Из приведенного выражения (1.32) не следует, что при увеличении напряженности электрического поля возможно по­

вая скорость движения носителей в кристалле. Поэтому сокра­ щения времени нарастания (фронта) импульса можно достичь, уменьшив только толщину чувствительной области ППД.

При исследовании выходных импульсов от германиевых литий-дрейфовых ППД наряду с импульсами, имеющими вре­ менные характеристики, соответствующие толщине чувстви­ тельной области ППД и приложенному к нему напряжению, наблюдались импульсы с аномально медленными фронтами. На времена нарастания таких импульсов не оказывают влия­ ния ни величина напряженности электрического поля, ни тем­ пература детектора, ни энергия излучения. Для выяснения при­ чин появления таких импульсов германиевый планарный ли- тий-дрейфовый ППД облучали узким остро коллимированным пучком у-квантов, ось которого перпендикулярна оси детек­ тора. Одновременно временной анализатор регистрировал ко­ личество нормальных импульсов и импульсов с медленным фронтом нарастания. Результаты этих измерений приведены на рис. 1.11 [36]. Сканирование объема ППД пучком у-квантов ясно показывает, что импульсы с медленным фронтом возни­ кают при взаимодействии ионизирующего излучения с мате­ риалом ППД вблизи пограничных разделов обедненной обла­ сти с областями п- и /7-проводимости. Медленное собирание образовавшихся носителей объясняется диффузней носителей из областей, прилегающих к р—г- и t—/г-переходам, и их мед­

42

Минимальные искажения амплитудных распределений мо­ гут быть обеспечены коллимацией падающего излучения в среднюю часть обедненной области ППД или экранированием от излучения п—г- и i—p-областей ППД. При облучении ППД вдоль его оси возникновение медленных импульсов, как легко

'лр/южше кошмироШного пучка к-ищчшя,пн

Рис. 1.11. Распределение быстрых и медленных импульсов в планарном G e(Li)-детекторе размером 3,8 см2Х0,9 см, рабо­ тающем при напряжении смещения 900 В и температуре при­ мерно 77 К. Ширина коллимирующей щели 0,25 мм. Источ­ ник — l37Cs:

видеть, неизбежно. Наличие таких импульсов при ограниче­ нии полосы пропускания усилительного тракта приводит так­ же к некоторому искажению аппаратурной линии.

§1.5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Уполупроводникового детектора, так же как и у любого полупроводникового диода, при приложении обратного напря­ жения через электронно-дырочный переход протекает некото­ рый ток. Величина приложенного к ППД обратного напряже­ ния определяется, во-первых, необходимой величиной напря­ женности электрического поля для получения наилучшего (оп­ тимального) сбора образованных носителей заряда, во-вторых,

43

пробегом ионизирующих частиц в полупроводниковом мате­ риале чувствительной области ППД, в-третьих, вольт-ампер- ной характеристикой электронио-дырочиого перехода ППД, определяемой как свойствами полупроводникового материала ППД, так и технологией его изготовления и конструктивным выполнением ППД.

Типичные вольт-амперные характеристики ППД приведены па рис. 1.12.

Из приведенных характеристик можно сделать вывод о ка­

кривой 2, поскольку наряду с увеличением рабочего напряже­ ния у них будет увеличиваться ток, а следовательно, и шумы. Совсем малую применимость для спектрометрии будут иметь ППД, вольт-амперная характеристика которых имеет вид кри­ вой 1.

Подъем вольт-амперных характеристик в высоковольт­ ной части связан с работой в области электрического пробоя детектора. Обычно спектрометрические детекторы в этой обла­ сти не используют.

Хорошая вольт-амперная характеристика ие может служить критерием оценки спектрометрических свойств ППД, посколь­ ку она не учитывает физических процессов собирания свободных носителей, образовавшихся при взаимодействии ионизиру­ ющей частицы с полупроводниковым материалом ППД [37— 42]. Обычно изготовители ППД стремятся уменьшить рези­ стивную составляющую вольт-амперной характеристики, что может быть обеспечено технологией и введением охранных электродов. Изготовители стремятся сделать ППД, у которого

44

плато вольт-амперной характеристики было бы достаточно про­ тяженным для того, чтобы при использовании ППД можно было выбрать оптимальное для проводимого эксперимента ра­ бочее напряжение. Рабочее плато вольт-амперной характеристи­ ки определяет рекомендуемый диапазон рабочих напряжений для ППД, который для поверхностно-барьерных и диффузион­ ных ППД составляет десятки и сотни вольт, а для диффузион­ но-дрейфовых ППД — от сотен до нескольких тысяч вольт.

Следует отметить, что не всегда удобно работать в крайних положениях плато вольт-амперной характеристики. Это связа­ но с тем, что при малых напряжениях собственная емкость ППД может оказаться чересчур' велика, а напряженность электриче­ ского поля, определяющая эффективность собирания носителей заряда, может быть мала.

При высоких рабочих напряжениях могут наблюдаться «микропробои» ППД — особый вид обратимых пробоев, не свя­ занный с необратимой порчей детектора. Работа в области «ми­ кропробоев» приводит к существенному ухудшению спектромет­ рических свойств ППД, так как в этом случае подчас возникают электрические импульсы, по своей величине соизмеримые с по­ лезным сигналом ППД. Предполагают, что такие «микропро­ бои» связаны с появлением каналов проводимости на поверхно­ стях ППД.

В результате происходит пробой (разряд электрических ем­ костей самого электронно-дырочного перехода и монтажных емкостей), отчего напряжение на ППД непрерывно меняется, а аппаратурная линия уширяется и искажается.

Важный электрофизический параметр ППД — вольт-емкост-

.пая (вольт-фарадная) характеристика, которая показывает связь между емкостью ППД и приложенным к нему напряжением. Типичные вольт-емкостные зависимости для некоторых типов ППД приведены на рис. 1.13. Кривая 1 относится к диффузион­ ным и поверхностно-барьерным ППД. Приведенная зависимость показывает, что в этих типах ППД собственная емкость значи­ тельно зависит от приложенного напряжения. Действительно, такие детекторы можно рассматривать как плоский электриче­ ский конденсатор, емкость которого описывается формулой

ной поверхности ППД и W — толщина чувствительной области ППД. Как ранее отмечалось, толщина чувствительной области

у этих детекторов пропорциональна)/ рU, поэтому и значение емкости обратно пропорционально\f U.

Кривые 2 и 3 (см. рис. 1.13) относятся к диффузионно­ дрейфовым детекторам. Кривая 2 относится к случаю так назы­

45

ваемого плохо выравненного детектора, кривая 3 — к случаю хорошо выравненного детектора. Начальное резкое уменьшение емкости подчиняется в принципе тем же законам, что и кривая 1, поскольку с ростом рабочего напряжения происходит резкое формирование обедненной области ППД. Пологий склон (мед­ ленное изменение емкости ППД на кривой 2) связан с форми­ рованием обедненной области в неоднородно компенсированных участках полупроводникового материала детектора. Многие ав­

от конфигурации электрического поля в нем. Поэтому при реги­

чувствительной области ППД.

Отсюда следует, что у детекторов, изготовленных из одного и того же полупроводникового материала, но имеющих различ­ ные емкости, амплитуда импульса напряжения различна. Это говорит о том, что использование усилителей импульсов напря­ жения не может быть оптимальным для ППД. Усилители им­ пульсов тока также нашли малое применение в спектрометрах с ППД, поскольку указанные усилители имеют малое входное сопротивление, что приводит к избыточному энергетическому эквиваленту уровня шумов усилительного тракта. Эти обстоя­ тельства определили широкое использование так называемых зарядочувствительных усилителей, анализ характеристик кото­ рых будет проведен в последующей главе.

Рассмотрим влияние рабочего напряжения и соответствен­

46

но напряженности электрического поля на спектрометрические свойства ППД. При приложении рабочего напряжения к ППД в чувствительной области ППД создается электрическое поле, необходимое для сбора свободных носителей заряда. Рабочее напряжение вызывает в ППД ряд явлений, в той или иной мере влияющих на его эксплуатационные характеристики. Одна из основных причин, приводящих к ухудшению измерительных па­ раметров ППД при больших значениях приложенного к ППД рабочего напряжения, — обратный ток. Известно, что он скла­ дывается из диодной и резистивной составляющих. Диодная компонента обратного тока обусловлена диффузионным и гене­ рационным током, а резистивная его компонента — поверхност­ ными токами утечки.

Основную роль в литий-дрейфовых детекторах играют по­ верхностный и генерационный токи, причем первый увеличи­ вается примерно прямо пропорционально, а второй — как корень квадратный из приложенного напряжения. Поэтому ППД не может обладать высокими эксплуатационными характеристика­ ми, если величина обратного напряжения, необходимая для бы­ строго и полного сбора образовавшихся носителей, вызывает появление обратного тока такой величины, что его шумы ухуд­ шают энергетические и временные параметры. Технология про­ изводства ППД обеспечивает в настоящее время создание де­ текторов с минимальными обратными токами, при которых воз­ можно создавать в ППД электрические поля в 103 В/см и выше. Существенно снизить токи утечки можно, изготовив детектор с охранным кольцом. При такой конструкции возможны элек­ трические поля в 3 -103 В/см [46].

Обратные токи резко уменьшаются при охлаждении детек­ тора. Поэтому чем ниже температура детектора, тем более вы­ сокое напряжение может быть к нему приложено без заметного увеличенияшумов. Более сложные процессы возникают при вли­ янии поля на взаимодействия носителей заряда с центрами их захвата в ППД. Основной результат увеличения электрического поля до значения примерно 103 В/см — увеличение скорости носителей,,что приводит к увеличению их эффективного времени жизни и соответственно к более полному сбору носителей. По­

одном из детекторов значения времени жизни электронов те и дырок тk в зависимости от обратного напряжения [30].

Для получения хорошего энергетического разрешения в 'де­ текторах средних размеров время жизни электронов и дырок должно быть не менее 10—15 мкс.

На рис. 1.14 показана зависимость эффективности сбора но­ сителей (электронов) в кремниевом детекторе при 15 К в зави­ симости от напряженности электрического поля.

47

Электрическое поле в детекторе приводит к некоторому сни­ жению потенциального барьера центров захвата, в результате чего с увеличением напряженности поля сечение захвата носи­ телей мелкими ловушками уменьшается пропорционально Е~312 [17]. Принципиально возможно воздействие поля и на глубокие

фективная температура становится выше средней температуры кристаллической решетки. Это «нагревание» носителей электри­ ческим полем высокой напряженности приводит к уменьшению сечения из захвата ловушками вследствие кулоновского взаимо­

В полях очень высокой напряженности (и особенно при низ­ ких температурах) становится возможным эффект освобожде­ ния носителей из мелких ловушек в результате туннельного эффекта [17].

48

Поля высокой напряженности положительно влияют также па сбор носителей в случае, когда из-за плохой компенсации обедненной области при наличии макродефектов возникают местные электрические поля в детекторе. Таким образом, если

Рис. 1.15. Зависимость амплитуды импульсов и энергетического разрешения G e(Li)-детектора при 77 К от приложенного обратного напряжения при высокой концентрации ловушек электронов:

/ — носители-дырки; 2 — носители-электроны и дырки (од­ нородное облучение); 3 — носители-электроны.

позволяют обратные токи, необходимо прикладывать к ППД возможно более высокое обратное напряжение, чтобы получить хорошие эксплуатационные характеристики.

На рис. 1.15 приведена зависимость амплитуды импульса и энергетического разрешения Ge (Li)-детектора с высокой кон­ центрацией электронных ловушек от напряженности электри-

49