ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР

       

прибор для регистрации ч-ц, осн. элементом к-рого явл. кристалл полупроводника. Регистрируемая ч-ца, проникая в кристалл, генерирует в нём дополнит. (неравновесные) электронно-дырочные пары. Носители заряда (электроны и дырки) под действием приложенного электрич. поля «рассасываются», перемещаясь к электродам П. д. В результате во внеш. цепи П. д. возникает электрич. импульс, к-рый далее усиливается и регистрируется (рис.). Для достижения достаточно высокой чувствительности необходимо, чтобы в отсутствии регистрируемых ч-ц полупроводник был обеднён носителями, т. е. имел миним. электропроводность.

Рис. Полупроводниковые детекторы (штриховкой выделена чувствит. область): n — область полупроводника с электронной проводимостью; p — с дырочной; г — с собств. проводимостью; а — кремниевый поверхностно-барьерный детектор; б — планарный диффузионно-дрейфовый германиевый детектор; в — коаксиальный диффузионно-дрейфовый Ge(Li)-детектор.

Это достигается использованием p — n-перехода, на к-рый подают обратное (запирающее) напряжение V. Слой полупроводника вблизи границы p — n-перехода, обеднённый носителями заряда и обладающий высоким уд. электросопротивлением r, явл. чувствит. слоем П. д. Глубина чувствит. слоя W=0,5?rV (W в мкм, r в Ом•см, V в В). Остальная часть кристалла полупроводника образует нечувствительный (мёртвый) слой.

Заряд, собранный на электродах П. д., пропорц. энергии, выделенной ч-цей при прохождении через чувствит. слой. Поэтому, если ч-ца полностью тормозится в нём, П. д. может работать как спектрометр. Ср. энергия, необходимая для образования одной электронно-дырочной пары, в полупроводнике мала (у Si — 3,8 эВ, у Ge — 2,9 эВ). В сочетании с высокой плотностью в-ва это позволяет получить высокую разрешающую способность по энергии D?/?, достигающую =1% при ?=10 кэВ и =0,1% при ?=1000 кэВ. Если ч-ца полностью тормозится в чувствит. слое, то эффективность её регистрации =100%. Большая подвижность носителей тока в Ge и Si позволяет быстро собирать заряд на электродах за время =10-8 с, что обеспечивает высокое временное разрешение П. д.

Высокое энергетич. разрешение П. д. может быть достигнуто лишь при охлаждении детекторов до темп-ры жидкого азота, т. к. из-за малой ширины запрещённой зоны в Si и Ge даже в случае собств. проводимости концентрация свободных носителей при комнатной темп-ре велика. Кроме того, при охлаждении существенно увеличивается подвижность носителей, благодаря чему обеспечивается более полный их сбор на электродах. В связи с этим П. д. обычно размещают в криостатах, в к-рых поддерживается вакуум =10-6 мм рт. ст.

В П. д. используются т. н. поверхностно-барьерные (сплавные) переходы (W=1 — 2 мм, мёртвый слой =0,1 — 2 мкм) и диффузионные переходы. Введение примеси Li в Ge и Si (ионы Li захватывают носители и уменьшают проводимость) увеличивает W для плоских (п л а н а р н ы х) П. д. до 15 мм (диффузионно-дрейфовые П. д., имеющие pin-структуру) и позволяет создавать коаксиальные дрейфовые германиевые П. д. с примесью Li (Ge(Li)) с рабочим объёмом =200 см3 для регистрации жёстких g-квантов (??1МэВ). Из «сверхчистого» Ge (концентрация примесей =10-10 в 1 см3), сопротивление к-рого близко к собственному, также изготавливают планарные П. д. площадью ок. 19 см2 и W»16 мм и коаксиальные П. д. объёмом до 75 см3.

Для обеднения носителями в П. д. используется также предварит. облучение кристалла g-квантами. Образующиеся радиационные дефекты явл. ловушками для носителей (радиационные П. д.). Поверхностно-барьерные и диффузионные кремниевые П. д. обладают миним. толщиной мёртвого слоя (от десятых долей мкм до неск. мкм). Их используют для спектрометрии осколков деления атомных ядер, a-частиц с энергиями ?20 МэВ, протонов с энергиями ?5 МэВ и электронов с энергиями ?200 кэВ. В этом случае пробег ч-ц ещё полностью укладывается в чувствит. слое П. д. Однако П. д. используются также для спектрометрии ч-ц более высоких энергий, когда пробег ч-ц больше глубины обеднённой области. При этом с помощью П. д. определяют удельные ионизац. потери энергии ч-ц или их координаты с пространств. разрешением до 50 мкм (позиционно-чувствительные П. д.).

Для спектрометрии мягкого рентг. излучения обычно используют диффузионно-дрейфовые П. д. из кремния с примесью лития, а также германиевые П. д. Для спектрометрии g-квантов применяют коаксиальные диффузионно-дрейфовые П. д. из Ge(Li) и из сверхчистого Ge. Применяют также полупроводники с большой шириной запрещённой зоны ?g (CdTe с ?g=1,5 эВ и HgI с ?g=2,l эВ). Однако из-за большей ср. энергии образования пары электрон — дырка их энергетич. разрешение хуже, чем в случае Ge и Si.

В процессе работы в П. д. происходит накопление радиац. дефектов в его чувствит. объёме, в результате чего его спектрометрич. св-ва ухудшаются. Предельные потоки для быстрых нейтронов 1012—1013 см-2, для a-частиц 1010 см-2, для электронов с энергией 2—5 МэВ 1013—1014 см-2, для g-квантов больше 108 рад.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР

- детектор частиц, осн. элементом к-рого является p-n -переход. П. д. состоит из слоя полупроводника с нанесёнными на него с обеих сторон металлич. электродами, на к-рые подаётся напряжение. При попадании частицы или g-кванта в полупроводник в нём в результате ионизации образуются неравновесные носители заряда - электроны и дырки, к-рые под воздействием электрич. поля перемещаются к электродам. В результате в электрич. цепи, соединённой с П. д., возникает импульс тока где - заряд, наводимый на электродах. Импульс тока преобразуется в импульс напряжения, амплитуда к-рого пропорциональна энерговыделению частицы в пол. <упроводнике.

Необходимым условием, обеспечивающим возможность измерения заряда DQ, возникающего в П. д. под действием ионизующей частицы, является малая величина темнового тока протекающего через П. д. в отсутствие ионизации. Это означает, что полупроводник должен обладать высоким уд. сопротивлением р.

Если флуктуации темнового тока за время собирания носителей сравнимы с числом носителей созданных в объёме П. д. частицей, то выделение полезного сигнала оказывается невозможным. Чем меньше и чем с большей точностью необходимо измерить DQ, тем большим сопротивлением r должен обладать полупроводник. Для измерения энерговыделения = 1 МэВ с точностью 1% необходимо Ом·см.

Число носителей заряда возникающих в П. д. при энерговыделении равно где - энергия, необходимая для образования пары электрон - дырка. Т. к. в полупроводниках 3 эВ, а в газах 30 эВ, то в П. д. при том же создаётся в 10 раз больше носителей заряда, чем в газовой ионизац. камере. В этом заключается одно из важных преимуществ П. д. перед газовыми детекторами.

Время жизни носителей заряда должно превышать время сбора Dt заряда на электроды (иначе сбор будет не полным). В полупроводниках, используемых для П. д., времена жизни свободных электронов и дырок составляют неск. мс, что достаточно для полного сбора носителей. Скорость сбора носителей или время их сбора Dt определяются подвижностью носителей зарядаm и напряжённостью электрич. поля Е: В случае однородного электрич. поля где W- толщина чувствит. области. Материал для П. д. не должен содержать большого кол-ва примесных центров, к-рые приводили бы к захвату носителей заряда, образующихся при ионизации.

В природе не существует веществ, к-рые имели бы значения необходимые для П. д. Диэлектрики обладают высоким р, но очень малым т, поэтому на их основе возможно создание детекторов лишь с тонкой чувствит. областью. Так, на основе алмазов созданы детекторы с толщиной рабочей области D300 мкм. Полупроводники обладают нужными однако их сопротивление r (даже при высокой степени очистки от примесей) оказывается ниже требуемого для обеспечения малого темнового тока (табл.).

Характеристики некоторых полупроводников, применяемых для полупроводниковых детекторов

Вещество (Т=300 К)	ность, г /см3	эВ	эВ	электроны	дырки	электроны	дырки
Si	2,33	1,12	3,61	1350	480	2·10-5	2·10-5
Ge (77 К)	5,33	0,79	2,98	3,6·104	4,5·104	2·10-5	2·10-5
CdTe	6,06	1,47	4,43	1000	80	10-6	2·10-7
GaAs	5,32	1,42	4,2	8·103	450	10-6	10-8
						10-9	10-9
HgI2	6,4	2, 13	4,2	100	4	10-6	10-6

Необходимые условия реализуются в области р - п-перехода, обеднённой носителями, где р на неск. порядков выше, чем вне перехода. Обычно толщина области р- n-перехода W, обеднённая носителями заряда,- чувствит. область П. д.- мала (см). Практич. значения такой р- га-переход не представляет, т. к. пробеги R заряж. частиц, как правило, существенно больше и в области р - n -перехода выделяется малая часть энергии частицы. Для увеличения W на р- n -переход подают обратное смещение U, к-рое увеличивает размер обеднённой области в соответствии с соотношением где b- константа, характеризующая полупроводник. Так, для b =0,5, для Ъ= 0,3, для b=1, для b= = 0,65. При этом через р- га-переход течёт темновой ток разл. происхождения: за счёт тепловой генерации электронов и дырок где - ширина запрещённой зоны в полупроводнике; ток диффузии за счёт неравномерной концентрации носителей:

ток поверхностной утечки Для уменьшения необходимы материалы с достаточно большой (в случае Ge - охлаждение). Для уменьшения выбирают спец. геометрию П. д., используют обработку поверхности и разл. покрытия. Наиб. употребит. материалами для П. д. являются Si и Ge.

Типы полупроводниковых детекторов. В зависимости от способа создания p- n -перехода различают поверхностно-барьерные, диффузионные и ионно-легиро-ванные П. д. В поверхностно-барьерных П. д. p - n -переход создаётся нанесением на поверхность полупроводника металла испарением в вакууме (см. Шоттки барьер; рис. 1). При определ. значениях r и U можно обеспечить полное обеднение носителями и получить детекторы с чувствит. областью, равной всей толщине пластинки полупроводника, вплоть до 2-3 мм. Нечувствит. областями в таких детекторах являются переднее и заднее окна, суммарная толщина к-рых может быть доведена до долей мкм.

В диффузионных П. д. переход создаётся диффузией донорных (или акцепторных) атомов в полупроводник с проводимостью р- или n -типов.

Толщина входного окна в диффузионных детекторах существенно больше, чем в поверхностно-барьерных, однако переход менее чувствителен к внеш. условиям.

В ионно-легиров. П. д. переход создаётся внедрением примесных атомов в кристалл при облучении его пучком ионов (см. Ионная имплантация). Обычно внедряется бор в полупроводник n-типа и фосфор в полупроводник р-типа (см. Легирование полупроводников). Толщина входного окна в ионно-легиров. П. д. может достигать величины 1 мкм. Для обеспечения высоких характеристик ионно-легиров. П. д. необходим отжиг радиационных дефектов, к-рые возникают при внедрении ионов.

Существ. увеличение обеднённой области в П. д. достигается компенсацией исходного материала до собственной (г) проводимости с помощью дрейфа ионов Li в поле r - re-перехода. На основе pin-диода созданы П. д. с толщиной чувствит. области W =10-15 мм и с объёмом V =100-150 (рис. 2).

Рис. 2. Конфигурации германиевых детекторов, активированных Li (pin -структура): а - коаксиального, б - планарного.

Из-за относительно высокой подвижности ионов Li в Ge и Si при Т = 30 для литий-дрейфовых П. д. необходима (постоянно) низкая те. <мп-ра, для Ge(Li)-детекторов необходима темп-pa жидкого азота, для Si(Li)-детекторов достаточна Т= (-20)- (-10)Разработаны методы очистки Si и Ge до состояния, близкого к собств. проводимости (для Ge разностная концентрация р- и п- примесей составляет На этой основе созданы т. н. HPGe- детекторы (high purity Ge), для к-рых нет необходимости охлаждения во время хранения, но необходимо охлаждение при работе с целью уменьшения шумов.

Преимущества П. д. по сравнению с др. детекторами частиц: пропорциональность сигнала энерговыделению частицы в веществе П. д. в широком диапазоне (неск. порядков), малая толщина входного окна, нечувствительность к магн. полю, высокое энергетич. разрешение за счёт малости компактность и др. Однако реализация этих характеристик требует применения сложных электронных устройств. По назначению П. д. можно подразделить на спектрометрические, временные, координатные.

Спектрометрические полупроводниковые детекторы. Энергетич. разрешение П. д. определяется: статистич. флуктуациями в числе носителей заряда потерями в собранном заряде за счёт рекомбинации носителей заряда, захвата их ловушками при движении к электродам флуктуациями в потерях энергии во входном окне П. д. d _ок; шумами электронных устройств и шумами темнового тока Полное разрешение П. д. по энергии равно:

Компонента связана с механизмом ионизац. потерь и определяет предельное разрешение. П. д. обладает наилучшим разрешением среди детекторов ионизац. типа. Если вся энергия частицы выделяется в объёме П. д., то энергетич. разрешение, определяемое статистич. флуктуациями в числе носителей, = 2,36 где F - т. н. фактор Фано, учитывающий корреляцию в числе носителей. Теоре-тич. оценки дают F =0,09-0,30 для Ge и 0,05-0,02 для Si. Эксперим. значения F для Ge и Si равны 0,130,02, при этом есть тенденция к уменьшению F с улучшением качества П. д. и электронных устройств. Спектрометрия b-частиц (электронов и позитронов) с энергиями 1 МэВ, к-рые имеют пробеги в Si R1 мм, осуществляется как поверхностно-барьерными П. д., так и Si(Li)-детекторами. В области энергий < 100 кэВ) применение полупроводниковых спектрометров предпочтительнее по сравнению с др. бета-спектрометрами (рис. 3). Особенностью регистрации электронов с энергиями > 100 кэВ является появление в процессах взаимодействия электронов с веществом g-квантов, к-рые могут уйти из объёма П. д. (тормозное излучение). Это приводит к неполному выделению энергии первичного электрона в П. д., к появлению "пьедестала" в регистрируемом спектре и к уменьшению тем самым эффективности регистрации по пику полного поглощения. С увеличением энергии электронов вклад этих процессов растёт, и при энергиях 10 МэВ спектрометрия электронов по пику полного поглощения теряет смысл, т. к. торможение электронов в объёме П. д. приводит к образованию ливней.

Для больших вплоть до нсск. сотен МэВ, используются т. н. ливневые спектрометры на основе слоистых систем, включающих слои тяжёлого вещества с высоким ат. номером Z (U, Pb), в к-рых происходит активное размножение электронов и g-кван-тов, и слои, состоящие из кремневых П. д. (в виде мозаики для обеспечения большой площади), в к-рых регистрируются вторичные электроны и g-кванты. Энергетич. разрешение слоистых ливневых спектрометров пропорционально

Спектрометрия л- и К-мезонов, протонов и лёгких ядер для небольших энергий, при к-рых пробеги частиц не превышают неск. мм, осуществляется с помощью Si-детекторов. Для малых пз-за большой величины удельных ионизационных потерьсущественна потеря частицей энергии во входном окне П. д. Поэтому здесь предпочтительнее использовать поверхностно-барьерные кремниевые детекторы. Для частиц с =5 МэВ лучшее разрешение, постигнутое с использованием Si, составляет что всё же в раза превышает предельное разрешение, обусловленное статистпч. флуктуацпями в чисте носителей

Для идентификации частиц по массе используется телескоп из двух (или более) П. д.- т. н. система (см. Телескоп счётчиков). Поскольку амплитуда сигнала детектора пропорциональна

то произведение амплитуд от -детекторов оказывается пропорциональным массе m регистрируемой частицы.

Для спектрометрии длинопробежных частиц (с пробегами R >5 мм в Si) применяют как одиночные "толстые" Si- и Ge-детекторы спец. конструкции, так и телескопы "тонких" П. д., имеющих суммарную толщину Применение телескопов предпочтительнее перед одиночным "толстым" П. д., т. к.: 1) возможна идентификация частицы по массе по измеренным в отдельных П. д.; 2) возможен отбор случаев, когда частица испытывает ядерное взаимодействие или рассеяние; 3) лучшие временные характеристики. Однако с увеличением энергии частицы (пробега Я) вероятность ядерного взаимодействия частицы с веществом П. д. растёт, что приводит к появлению "пьедестала" в спектре амплитуд. Предельные энергии, когда ещё применяют телескопы П. д., МэВ (для протонов).

Спектрометрия тяжёлых ядер и осколков деления ядер имеет ту особенность, что в этом случае высока уд. ионизация. Это приводит к более медленному разделению положит, и отрицат. зарядов и, следовательно к большой вероятности рекомбинации зарядов на пути частицы, из-за чего возникает ошибка в определении энергии. Степень рекомбинации существенно зависит от ориентации траектории (трека) относительно элек-трич. поля Е. Ошибка меньше для трека, расположенного перпендикулярно силовым линиям электрнч. поля. Для уменьшения эффекта рекомбинации необходимо увеличивать напряжение U на П. д. При спектрометрии тяжёлых ядер и осколков деления важно также иметь мин. толщину входного окна.

Спектрометрия нейтронов осуществляется либо по протонам отдачп ( в этом случае перед П. д. располагают водородсодержащую мишень), либо путём регистрации продуктов ядерной реакции, происходящей в самом П. д. или в тонком слое нейтронно-чувствит. материала, расположенного между двумя П. д. В последнем случае обычно используются реакции:

(см. нейтронные детекторы).

Для спектрометрии рентгеновских и g-квантов при используются пленарные Si-детекторы. Для > 100 кэВ применяются коаксиальные Ge(Li)-детекторы, а также HPGe -детекторы (до 10 МэВ); Ge(Li)-детекторы обладают наилучшим разрешением по энергии: = 1,7 кэВ для = 1 МэВ (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость разрешающей способности от энергии g-квантов для С g-спектрометров разных типов.

С ростом см. рис 5) эффективность регистрации, осуществляемой по пику полного поглощения, падает, т. к. растёт вклад комптоновского фона, что затрудняет выделение слабых линий при исследовании многолинейчатых g-спектров. В качестве гамма-спектрометров используются также П. д. на основе CdTe, GaAs, НgТе. Благодаря большому Z такие детекторы имеют большую эффективность регистрации (чем Ge-детекторы), но худшее энергетич. разрешение (из-за большей величины табл.). Эти П. д. используются также для регистрации сцинтилляц. излучения вместо фотоэлектронного умножителя в комбинации сцинтил-лятор - фотодиод (см. Сцинтилляционный детектор). Для > 10 МэВ процесс поглощения энергии в П. д. приобретает ливневый характер; вплоть до энергий порядка сотен МэВ для спектрометрии g-квантов используются ливневые спектрометры на основе П. д. с радиаторами с большим

П. д. обладают хорошим временным разрешением, сравнимым в нек-рых случаях с разрешением сцин-тилляц. детекторов. Для пленарных П. д. с W =1 мм время сбора носителей определяющее временное разрешение, порядка 10 нc.

Координатные полупроводниковые детекторы изготовляются на основе Si. В т. н. резистивном П. д. координата c прохождения частицы через П. д. определяется по соотношению амплитуд сигналов ( Е и Ex/l )снимаемых с разных сторон П. д., на одной стороне к-рого нанесена металлич. плёнка, обладающая высокой однородностью по толщине (сопротивлению) Обычно это Аu или Pd (рис. 6). Координатное разрешение составляет доли мм.

В т. н. стриповых (полосковых) детекторах один из электродов выполнен в виде изолиров. полосок. Стриповые П. Д.-одномерные координатные детекторы - обладают координатным разрешением 20 мкм определяемым шириной стрипа. В двумерных стрипо-вых П. д. стрипы нанесены с обеих сторон П. д., но во взаимно перпендикулярных направлениях. Стрипо-вые П. д. применяются в качестве т. н. вершинных детекторов для выделения случаев рождения и распада короткоживущих т. н. очарованных

и прелестных частиц и определения их времён жизни и др. характеристик (см. Комбинированные системы детекторов, Элементарные частицы). Дальнейшее развитие привело к созданию т. н. пиксельных детекторов с размером ячейки (пикселя) 3030 мкм на основе рin -структуры. Для сокращения каналов электроники разработана полупроводниковая дрейфовая камера на основе pnp -структуры (рис. 7). Электрич. поле возрас-

Рис. 7. Дрейфовая камера.

тает с номером стрипа, а крайняя левая полоска служит анодом. На стрипы подаётся отрицат. потенциал - V по отношению к ср. плоскости, так что электроны стягиваются к ней и движутся к аноду. Дырки же будут собираться на электроды вблизи трека частицы. Координата определяется по времени дрейфа электронов от места их возникновения до анода. Координатное разрешение полупроводниковой дрейфовой камеры составляет 1020 мкм.

П. д. с лавинным усилением заряда имеют внутр. усиление до и обладают лучшими временными характеристиками, чем ПЗС-детекторы. Перспективны координатные П. д. на основе лавинно-пролётных диодов с отрицательной обратной связью.

Радиационная стойкость П. д. зависит от вида, интенсивности и энергии излучения. П. д. могут устойчиво работать без ухудшения характеристик при облучении g-квантами дозой до рад. На неск. порядков более чувствительны П. д. к облучению тяжёлыми за-ряж. частицами, а также медленными нейтронами. Ухудшение энергетич. разрешения возникает при потоке протонов (с энергией 5-10 МэВ) порядка быстрых нейтронов -электронов (с энергией 2-5 МэВ) -

Лит.:Semiconductor detectors, ed. by G.Bertolini, A. Coche, Amst., 1968; Vertex detectors, ed. by F. Villa, N. Y., 1988; Акимов Ю. К., Каланин А. И., Кушнирук В. Ф., Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике, М., 1989; Клайнкнехт К., Детекторы корпускулярных излучений, пер. с нем., М., 1990. Г. А. Сокол.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.