Типы полупроводниковых детекторов

Поверхностно-барьерные детекторы. P-n переход образуют окислением кислородом воздуха протравленной поверхности полупроводника. На эту поверхность напыляют тонкий металлический слой - токосъёмный электрод. Толщина чувствительной области (0,2 - 0,5 мм) зависит от напряжения смещения. Материал детекторов – кремний. ППД работают при комнатной температуре. Применяются для детектирования и спектрометрии частиц с коротким пробегом: низкоэнергетических протонов, альфа частиц и осколков деления.

Диффузионные детекторы. P-n переход может быть получен посредством диффузии в полупроводник (как правило, p-кремний) соответствующих его типу примесей (обычно, фосфора). Толщина чувствительного слоя такая же, как и в поверхностно-барьерном ППД. Работают при комнатной температуре. Свойства и область применения те же, что и для поверхностно-барьерного ППД .

Полупроводниковые детекторы с р -i –n переходом. Большой объём чувствительной области, пониженная ёмкость детектора, высокие эффективность и энергетическое разрешение могут быть достигнуты при использовании p-i-n структуры. На рис. 2.2.1 изображена p-i-n структура с низколегированной p-областью [10]. В качестве электродов в таких структурах используют высоколегированные полупроводники (области с высокой концентрацией соответствующих примесей). Изменение потенциала происходит, в основном, в низколегированной p области, по всей глубине которой возникает электрическое поле. Для получения бо́льшей толщины чувствительной области необходимо добиваться минимальной концентрации некомпенсированных примесных атомов в низколегированной области.

n*

p

p*

+ –

а)

б)

в)

г)

Рис. 2.2.1 Упрощенная схема (а) и характеристики p-i-n перехода

с обратным смещением: б – распределение объёмного заряда,

в –напряженность электрического поля, г – потенциал.

n* и p* - области высоколегированных полупроводников n и p типа,

p – слаболегированная p область, обедненная носителями заряда.

В ППД с p-i-n переходом используют или особо чистый германий (ОЧГ) (детекторы из ОЧГ) или германий компенсированный посредством легирования литием (диффузионные или дрейфовые ППД).

ППД из ОЧГ могут храниться при комнатной температуре и должен охлаждаться только в процессе работы.

Диффузионные ППД должны работать и храниться при низкой температуре. Подвижность легирующих атомов лития в нем столь велика, что при комнатной температуре они диффундируют из компенсированной области и тем самым ухудшают её свойства (уменьшают удельное сопротивление).

Детекторы с p-i-n переходом изготавливают двух типов: плоские – планарные (объёмом 10 - 15 см³) и коаксиальные - цилиндрические с p* контактом в коаксиальном отверстии (объёмом до 100 см³).

Энергетическое разрешение полупроводниковых спектрометров

Предельное энергетическое разрешение ППД определяется флюктуацией числа образовавшихся носителей электрических зарядов при полном поглощении энергии заряженных частиц в детекторе. Энергия заряженной частицы не полностью расходуется на образование электронно-дырочных пар. Значительная ее доля идет на возбуждение колебаний атомов в кристаллической решетке и выделение тепла. Согласно данным, приведенным в таб. 2.2.1, средняя энергия, затрачиваемая на образование пары электрон-дырка в полупроводниках , в три – четыре раза превышает ширину запрещенной зоны. Это означает, что на долю процесса ионизации расходуется значительная часть (около 30%) энергии поглощенной в детекторе. Если бы на ионизацию расходовалась лишь незначительная часть поглощенной энергии (как, например, в сцинтилляционом детекторе), то акты ионизации можно было бы считать независимыми и флюктуацию (стандартное отклонение) числа пар носителей определять для распределения Пуассона: , (2.2.1)

где E - энергия заряженной частицы, W - средняя энергия образования пары носителей заряда.

В действительности акты ионизации не являются полностью случайными и независимыми [11]. Образование пар носителей заряда в процессе торможения заряженной частицы происходит при условии, что E>W. Результаты измерений флюктуаций числа образованных пар носителей заряда показали, что их величина существенно меньше оценки (2.2.1). Отмеченные обстоятельства учитывают вводя в (2.2.1) коэффициент F, называемый фактором Фано [12]: (2.2.1а)

Фактор Фано всегда меньше единицы. Энергетическое разрешение детектора

(2.2.2)

оказывается лучше, чем можно было бы ожидать, исходя из предположения о случайности, независимости актов образования пар носителей заряда.

Обычно фактор Фано определяют экспериментально. При этом получают некоторое значение, характеризующее как свойства материала, так и технологические особенности изготовления детектора. Для оценок можно использовать следующие значения: F_Si = 0,075, F_Ge= 0,13.