Способы увеличения удельного электрического сопротивления (уменьшения проводимости) полупроводниковых материалов

В перечисленных на стр. 30 требованиях к материалу – заполнителю ППД детектора – основным является требование высокого удельного сопротивления. Существенная часть усилий при создании ППД потрачена на решение именно этой проблемы. Ниже, очень коротко, рассмотрены основные технологические приемы, применяемые для увеличения удельного сопротивления полупроводников.

Примеси в полупроводнике являются причинами снижения удельного сопротивления материала и образования ловушек, захватывающих носители зарядов. По этой причине полупроводниковый материал подвергают тщательной очистке от примесей. Проводимость полностью освобожденного от примесей полупроводника минимальна. Такой полупроводник называют собственным, а его проводимость - собственной проводимостью. Если по какой либо причине в процессе очистки не удается достигнуть собственной проводимости прибегают к приему, называемому компенсацией. В зависимости от валентности атомов примесей, содержащихся в материале, полупроводник, в основном, обладает электронной или дырочной проводимостью. В материал, например, с электронной проводимостью (содержащий донорные примеси) вводят определенное количество атомов с акцепторными свойствами (имеющих дырочную проводимость) и наоборот. Если будет достигнуто состояние, когда плотности положительных и отрицательных носителей заряда будут равны для всех примесей, то проводимость компенсированного материала станет минимальной и равной проводимости материала без примесей (собственной проводимости).

Проводимость собственного полупроводника при комнатной температуре ещё очень велика. Её уменьшают охлаждая полупроводник до температуры жидкого азота.. При охлаждении уменьшается плотность носителей заряда и, как следствие, уменьшается проводимость. Охлаждение полупроводника не только уменьшает его проводимость, но увеличивает подвижность и скорость дрейфа носителей заряда. Сбор зарядов происходит быстрее и более полно в результате уменьшения вероятности захвата носителей ловушками.

Дальнейшее увеличение удельного сопротивления детектора производят посредством создания в нем электрических переходов (p–n переходов) между полупроводниками с разными типами проводимости или между полупроводником и металлом. Для создания переходов либо вводят донорные атомы в часть полупроводника с дырочной проводимостью либо акцепторные атомы в часть полупроводника с электронной проводимостью. На границе p–n перехода возникает скачок потенциала, обусловленный пространственными зарядами в окрестности перехода, и, как следствие, область, где напряженность электрического поля отлична от нуля. Электрическое поле удаляет из этой области (толщиной около 10^-3 мм) свободные носители заряда. Увеличить размер (толщину) этой области, уменьшить концентрацию свободных зарядов и ёмкость p–n перехода можно прикладывая к нему обратное смещение (присоединяя к n области плюс источника смещения, а к p области минус). Уменьшение ёмкости перехода увеличивает отношение сигнал/шум (см. (2.3.3)).