Полупроводниковые детекторы

Полупроводниковый детектор представляет собой ионизационную камеру, чувствительный объем которой является твердым телом. Ионизирующее излучение вызывает появление зарядов в полупроводнике, что приводит к изменению его проводимости. Регистрация излучения полупроводниковым детектором может проводиться в импульсном и токовом режимах. Использование твердого тела в качестве чувствительного объема вместо газа позволяет увеличить в 10⁴ раз поглощенную энергию в единице чувствительного объема из-за более высокой плотности вещества.

Наибольшее распространение получили полупроводниковые детекторы из кристаллов кремния (плотность 2,3 г/см³) и германия (5,3 г/см³). В полупроводниковом детекторе определенным образом создается чувствительная область, в которой нет свободных носителей заряда. Попав в эту область, заряженная частица вызывает ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне – дырки. Под действием напряжения, приложенного к напылённым на поверхность чувствительной зоны электродам, возникает движение электронов и дырок, формируется импульс тока (рис. 9). К полупроводниковому кристаллу прикладывается напряжение до нескольких тысяч вольт, что обеспечивает сбор всех зарядов, образованных частицей в объёме детектора.

Рис.9. Зонная модель энергетических уровней в кристалле полупроводника

Энергия, необходимая для рождения одной пары электрон-дырка равна 3,62 эВ при температуре T = 300 K, 3,72 эВ при T = 80 K в кремнии и 2,95 эВ в германии при T = 80 K. Это при использовании полупроводникового счётчика в качестве спектрометра позволяет в несколько раз улучшить энергетическое разрешение по сравнению с газонаполненными счётчиками, такими как ионизационная камера и пропорциональный счётчик.

Для регистрации заряженных частиц используют кремниевые детекторы и детекторы из сверхчистого германия (HpGe). Толщина чувствительной области кремниевых детекторов не превышает 5 мм, что соответствует пробегу протонов с энергией ~30 МэВ и -частиц с энергией ~120 МэВ. Для германия толщина 5 мм соответствует пробегам протонов и -частиц с энергиями ~40 МэВ и ~160 МэВ соответственно, более того, германиевые детекторы могут быть изготовлены с гораздо более толстой чувствительной областью (рис. 10). Кремниевые детекторы часто используют при комнатной температуре. Германиевые детекторы всегда охлаждают до азотных температур.

Б ольшие преимущества даёт применение полупроводниковых детекторов в спектрометрах γ-квантов. В этом случае применяются специально выращенные кристаллы сверхчистого германия (ОЧГ), либо кристаллы на основе германия с литиевой добавкой (GeLi) объёмами до нескольких сотен см³. Германий имеет довольно высокий атомный номер Z=32 и поэтому эффективное сечение взаимодействия γ-квантов велико (вероятность фотоэффекта пропорциональна Z⁵, комптон-эффекта – Z, рождения пар – Z²).

Рис. 10. Виды полупроводниковых детекторов (штриховкой выделена чувствительная область, n – область полупроводника с электронной проводимостью, р – с дырочной, i – с собственной проводимостями): а – кремниевый поверхностно-барьерный детектор; б – дрейфовый германий-литиевый планарный детектор; в – германий-литиевый коаксиальный детектор

Чтобы добиться наилучшего энергетического разрешения германиевые кристаллы охлаждают до температуры жидкого азота (77 К). Энергетическое разрешение германиевых детекторов при регистрации γ-квантов достигает 0,1%, что в десятки раз выше, чем у сцинтилляционных детекторов.

Важно отметить, что на формирование электрического сигнала в детекторе требуется некоторое время, в течение которого детектор "не готов" к приему следующего сигнала; это время называют мертвым временем детектора. Иногда говорят о временном разрешении детектора, т.е. о его способности зарегистрировать два события, разделенные минимальным интервалом времени. Временное разрешение лучших полупроводниковых детекторов составляет 10^-8 – 10^-9 с.