книги из ГПНТБ / Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами

веского поля [17]. Даже в этом случае можно получить доста­ точно хорошее энергетическое разрешение, если приложить к детектору высокое рабочее напряжение.

У детекторов с п—/^-структурой, к которым относятся диф­ фузионные и поверхностно-барьерные ППД, увеличение напря­ женности электрического поля приводит в основном к увели­ чению протяженности чувствительной области. При этом прак­ тически временные свойства таких ППД заметно не улуч­ шаются.

Толщину чувствительной области таких кремниевых ППД

Влияние температуры. Как правило, полупроводниковые де­ текторы в силу специфических свойств материалов, из которых их изготавливают, обладают низкой температурной стабильно­ стью и требуют для нормальной работы специального охлаж­ дения.

Иногда для получения удовлетворительных результатов бы­ вает достаточной температура сухого льда или несколько более низкая [47]. Как правило, высокое энергетическое разрешение можно получить лишь при охлаждении детектора до температу­ ры жидкого азота и ниже. Основная причина этого обстоятель­ ства для полупроводниковых детекторов из кремния, герма­ ния и даже арсенида галлия, как было показано выше, — малая ширина запрещенной зоны этих материалов. Поэтому даже если в материале нет посторонних примесей, при нормальной темпе­ ратуре обратный ток, а соответственно и электрические шумы, возникающие под действием приложенного напряжения, на­ столько высоки, что на их фоне не удается выделить электри­ ческий сигнал, обусловленный ионизирующим излучением, осо­ бенно если его энергия мала. Кроме того, для полного и быст­ рого сбора носителей заряда, образовавшихся под действием

50

такты с материалом ППД, ибо их нарушение при охлаждении резко ухудшает его параметры. Наличие постоянного высокого вакуума (10-5— 10-6 мм рт. ст.) также необходимо для нор­ мальной работы детектора, особенно если он имеет открытую рабочую поверхность.

Все эти причины обусловливают в основном изменение экс­ плуатационных параметров ППД в широком температурном диапазоне.

Если материал детектора имеет мало глубоко расположен­ ных центров захвата, а это в большинстве случаев и осущест­ вляется на практике, то при охлаждении в широком темпера­ турном диапазоне происходит медленное уменьшение амплитуды импульсов, обусловленное изменением энергии, необходимой для образования пары электрон — дырка.

При температуре 30—40 К в Si (Li)-детекторах наступает резкое снижение амплитуды импульса из-за возросшего захва­ та носителей мелко расположенными центрами захвата. Подоб­ ное же поведение наблюдается н в Ge (Li)-детекторах с тем от­ личием, что уменьшение амплитуды импульса наблюдается лишь при температурах 8— 12 К, поскольку ловушки электронов и дырок в германии более мелки, чем в кремнии. Указанное влияние температуры на амплитуду импульсов с детекторов показано на рис. 1.16 [49, 50].

При высоких температурах спектрометрические характери­ стики кремниевых и германиевых ППД полностью зависят от их обратных токов. Поэтому верхний температурный предел удовлетворительного энергетического разрешения целиком опре­

Ниже температур, при которых шумы обратных токов уже не играют доминирующую роль в энергетическом разрешении, оно изменяется мало, ибо небольшое число глубоких центров захвата не может заметно влиять на его величину.

Подобное положение сохраняется до температуры, при кото­ рой тепловое освобождение носителей из мелких ловушек пере­ стает возвращать их в валентную зону и зону проводимости. В результате этого процесса, который наступает в Si (Li)-ППД

использовать с высоким энергетическим разрешением при тем­ пературе около 10 К (рис. 1.17).

Аналогичная картина наблюдается для температурной за­ висимости времени нарастания импульса [49]. У кремниевых и германиевых ППД, компенсированных литием, оно медленно уменьшается с понижением температуры вследствие увеличения

52

скорости дрейфа носителей. Значительное улучшение крутизны фронта импульса наблюдается у планарных Ge(Li) -детекторов при охлаждении их от 77 до 30 К. При температурах 20—30 К для Ое(Ы)-ППД и 40—60 К для БДЫДППД время нахожде­ ния носителей в мелких центрах захвата становится сравнимым и более продолжительным, чем время собирания носителей, в результате время нарастания начинает ухудшаться, а при даль­ нейшем понижении температуры резко увеличивается.

о: «о

I

Рис. 1.17. Влияние температуры на энергетическое разреше­ ние S i(L i)-n n fl:

ной амплитуды; числа у кривых — обратное напряжение.

Зависимость времени нарастания от температуры в планар­ ных кремниевых и германиевых детекторах показана на рис. 1.18.

Как и в предыдущих случаях, низкотемпературные эффекты наблюдаются в кремниевых ППД при более высоких температу­ рах, чем в германиевых, из-за относительно более глубокого рас­ положения центров захвата в кремниевых детекторах.

Поведение германиевых радиационных детекторов в темпе­ ратурном диапазоне имеет качественно иную картину. Посколь­ ку в этом случае компенсация доноров осуществляется на глу­ боких центрах захвата, образованных радиационными повреж­ дениями, большой обратный ток и соответственно отсутствие спектрометрических качеств наблюдаются в широком диапазо­ не температур вплоть до температуры, при которой созданные излучением центры захвата начинают обеднять чувствительную область.

54

Как правило, детекторы такого типа необходимо охлаждать до температур 80—90 К, выше которых они оказываются мало­ пригодными [51].

Детекторы из кремния, компенсированного литием, а также германиевые радиационные детекторы требуют глубокого охлаждения только во время работы, хранить их можно при обычной температуре длительное время без потери энергетиче­ ских и временных свойств.

Для сохранения высоких эксплуатационных характеристик кристалл детектора должен находиться в вакууме или среде инертного газа. К сожалению, в германии при нормальной тем­ пературе ионы лития имеют настолько высокую подвижность, что под действием электрического поля р—//-перехода в тече­ ние короткого времени в результате дрейфа они выходят из объема на поверхность ППД либо происходит осаждение лития (преципитация) на различных центрах. При этом резко возра­ стают объемные и поверхностные токи утечки, и детектор необ­ ратимо теряет свои свойства. По этой причине сразу после из­ готовления детектор помещают в камеру с температурой сухого льда или температурой, близкой к температуре жидкого азота. При такой температуре ои и должен находиться постоянно.

Таким образом, температура оказывает сильное влияние па характеристики детекторов. В то же время обычно имеется тем­ пературный диапазон, в котором это влияние незначительно. Поэтому во многих случаях рабочая температура германиевых: и особенно кремниевых лптий-дрейфовых детекторов может из­ меняться в пределах от нескольких градусов до десятков гра­ дусов без заметного ухудшения их характеристик. Исключение составляют ППД. компенсированные радиационными дефекта­ ми, у которых увеличение температуры, как правило, свыше 80—85 К приводит к увеличению обратных токов и ухудшению энергетического разрешения. В связи с этим ППД обычно экс­ плуатируют при пониженной температуре и размещают их в специальных камерах — криостатах.

Радиационная стойкость. Эксплуатационные качества полу­ проводниковых детекторов любого типа во многом зависят от количества дефектов в их кристаллической структуре. Причем если даже детектор изготовлен с минимально возможным коли­ чеством нарушений структуры, то в процессе эксплуатации ко­ личество дефектов может возрасти главным образом за счет взаимодействия ионизирующего излучения с атомами его решет­ ки. Это взаимодействие при определенных условиях может при­ вести к смещению атома с его места, в результате чего обра­ зуется вакансия и атом в междоузлии. При передаче атому зна­ чительной энергии последний может вызвать дальнейшие нару­ шения кристаллической структуры. Поскольку дефекты такого рода в рабочем диапазоне температур ППД не восстанавли­ ваются, со временем происходит их накопление.

56

Аналогичные явления наблюдаются, если под действием излучения происходит ядериая реакция на материале детектора. Так, при взаимодействии медленных нейтронов с изотопом крем­ ния 30Si образуется стабильный атом фосфора 31Р, увеличиваю­ щий концентрацию доноров в материале детектора, что может нарушить компенсацию в чувствительном объеме. Изменения в ППД, происходящие под влиянием излучения, проявляются сле­ дующим образом: 1) с увеличением дозы облучения умень­ шается эффективная толщина чувствительной области; 2) по­ являются многократные пики в амплитудных распределениях, обусловленных регистрацией моиоэпергетических а-частиц; 3) уменьшается емкость электроино-дырочного перехода; при больших дозах емкость становится независящей от приложен­ ного к ППД рабочего напряжения; 4) ухудшается разрешение ППД; 5) увеличивается обратный ток в ППД; 6) уменьшается амплитуда импульсов от регистрируемых частиц.

Повреждения при воздействии нетронов. Нейтроны с энер­ гией ниже 200 эВ не производят заметных смещений атомов в кремнии. Нейтроны с энергией в несколько магаэлектроивольт способствуют образованию ионов отдачи относительно высокой энергии. Каждый ион отдачи в свою очередь может произво­ дить несколько сот вторичных смещений.

Ионы отдачи кремния имеют малый пробег, а поэтому не­ большие объемы подвергаются значительным повреждениям. В этих небольших, сильно разупорядоченных областях погло­ щаются почти все носители заряда, а поле в чувствительной об­ ласти распределяется так, что эффективность сбора заряда в такой области уменьшается.

В работе [52] описаны результаты облучения семи кремние­ вых поверхностно-барьерных ППД нейтронами деления 235U; действие повреждения наблюдали по изменению характера ре­ гистрации а-частиц 239Ри. При облучении ППД потоком тепло­ вых нейтронов (до 1012-ь1013 нейтрон/см2) обратный ток возра­ стает с увеличением дозы.

При интегральных потоках до 5-10" нейтрон/см2 появляются лишь незначительные изменения вольт-амперной характеристи­ ки ППД, при потоках до 3 ■1012 иейтрои/см2 ухудшается энерге­ тическое разрешение, а особенно резко — при потоках более 1013 нейтрон/см2, при этом амплитуда импульса с выхода ППД уменьшается в 3—4 раза, а энергетическое разрешение при спек­ трометрии а-частиц увеличивается до 15—20% при первона­ чальном значении последнего 1%.

Следует отметить, что примерно через два-три месяца вы­ держки ППД в нормальных условиях характеристики ППД ча­ стично восстанавливаются, вероятно, из-за самопроизвольного возврата выбитых атомов в узлы кристаллической решетки. Данные по предельным потокам нейтронов приведены в табл. 1.4.

57

ставляет собой простой вид кулоновского рассеяния [53]. Облу­ чение Г1ПД заряженными частицами приводит к изменению со­ противления перехода. Повреждение ППД, которое выражается в появлении дефектов Френкеля, устойчиво до температуры примерно 524 К. При повышении температуры заметно сказы­ вается явление отжига радиационных дефектов. Кроме того, ра­ диационные дефекты уменьшают концентрацию свободных носи­ телей в материале детектора, что приводит к сокращению сроков службы ППД.

В работе [53] описано исследование параметров диффузион­ но-дрейфовых кремниевых детекторов при облучении их а-ча- стицами с энергией 40 МэВ. Влияние облучения наблюдали по изменению амплитудного распределения, обусловленного реги­ страцией а-частиц. В поверхностно-барьерных ППД при облу­ чении а-частицами обратный ток увеличивается, а разрешение по энергии ухудшается. Поток а-частиц 109ч -1011 см-2 с энер­ гией 5 МэВ приводит к нарушению работы ППД. При высоких рабочих напряжениях влияние повреждений на работу ППД уменьшается [54]. Радиационные повреждения, возникающие под влиянием облучения ППД осколками деления, — наиболее существенны, что связано, по-видимому, с локальными перегре­ вами материала ППД вдоль трека осколка деления, высокой плотностью ионизации и появлением целых областей дефектов кристаллической решетки.

По данным работы [55] примерно одинаковые изменения в спектрах осколков деления наступают при облучении ППД ин­ тегральным потоком а-частиц примерно в 500 раз большим, а при облучении быстрыми нейтронами в 104 раз большим инте­ грального потока осколков деления. Данные по предельным потокам тяжелых заряженных частиц приведены в табл. 1.4.

Повреждения при взаимодействии электронов и у-квантов. Электроны могут вносить дефекты в кристаллическую решетку,

58

если они имеют энергию свыше 250 кэВ. Например, электрон

сэнергией 5 МэВ приводит к появлению лишь 2—3 дефектов

вППД [53]. Воздействие электронов приводит к относительно монотонному распределению точечных дефектов в материале ППД.

При исследовании повреждения в поверхностно-барьерных

дрейфовых ППД характерно уменьшение времени жизни носите­ лей заряда. Процесс смещения атомов кремния в решетке имеет малое сечение, например, для у-квантов с энергией 1 МэВ, пересекающих 1 см кремния, имеется однопроцентная вероятность вызвать такое смещение.

Наблюдались небольшие повреждения поверхностно-барьер­ ных ППД после облучения у-квантами (доза 10® Р). Типичные допустимые экспозиции, при которых наблюдаются заметные повреждения в ППД, приведены в табл. 1.4 [53].

При исследованиях межпланетного пространства в зависи­ мости от орбиты спутника высокие уровни потока электронов средней энергии могут резко сократить срок службы ППД, если только не предусмотрено специальное защитное устройство

[54,55].

Влияние электромагнитных полей. Магнитное поле оказывает существенное влияние на эксплуатационные характеристики по­ лупроводникового детектора [56]. Это объясняется в основном воздействием поля на процесс собирания носителей заряда, в результате которого последние приобретают вращательный мо­ мент при дрейфе, вдоль магнитного поля.

Движение по спирали приводит к удлинению времени и пути дрейфа, что увеличивает возможность захвата и рекомбинации электронов и дырок. В то же время наличие магнитного поля не вызывает увеличения обратного тока ППД.

Качественное влияние увеличения магнитного поля на ши­ рину и высоту пика полного поглощения у-излучения с энергией 662 кэВ планарным Ое(1л)-ППД объемом 2 см3 (магнитное поле направлено параллельно оси детектора) показано на рис. 1.19.

Количественная зависимость разрешающей способности от напряженности поля при различных рабочих напряжениях для того же детектора приведена на рис. 1.20. Характерно, что чем выше величина напряженности электрического поля, тем при более высоких магнитных полях ППД сохраняет высокое раз­ решение.

Относительная эффективность в пике полного поглощения также сильно снижается с увеличением магнитного поля, как это видно на рис. 1.21. В отличие от энергетического разреше­

59