Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

но напряженности электрического поля на спектрометрические свойства ППД. При приложении рабочего напряжения к ППД в чувствительной области ППД создается электрическое поле, необходимое для сбора свободных носителей заряда. Рабочее напряжение вызывает в ППД ряд явлений, в той или иной мере влияющих на его эксплуатационные характеристики. Одна из основных причин, приводящих к ухудшению измерительных па­ раметров ППД при больших значениях приложенного к ППД рабочего напряжения, — обратный ток. Известно, что он скла­ дывается из диодной и резистивной составляющих. Диодная компонента обратного тока обусловлена диффузионным и гене­ рационным током, а резистивная его компонента — поверхност­ ными токами утечки.

Основную роль в литий-дрейфовых детекторах играют по­ верхностный и генерационный токи, причем первый увеличи­ вается примерно прямо пропорционально, а второй — как корень квадратный из приложенного напряжения. Поэтому ППД не может обладать высокими эксплуатационными характеристика­ ми, если величина обратного напряжения, необходимая для бы­ строго и полного сбора образовавшихся носителей, вызывает появление обратного тока такой величины, что его шумы ухуд­ шают энергетические и временные параметры. Технология про­ изводства ППД обеспечивает в настоящее время создание де­ текторов с минимальными обратными токами, при которых воз­ можно создавать в ППД электрические поля в 103 В/см и выше. Существенно снизить токи утечки можно, изготовив детектор с охранным кольцом. При такой конструкции возможны элек­ трические поля в 3 -103 В/см [46].

Обратные токи резко уменьшаются при охлаждении детек­ тора. Поэтому чем ниже температура детектора, тем более вы­ сокое напряжение может быть к нему приложено без заметного увеличенияшумов. Более сложные процессы возникают при вли­ янии поля на взаимодействия носителей заряда с центрами их захвата в ППД. Основной результат увеличения электрического поля до значения примерно 103 В/см — увеличение скорости носителей,,что приводит к увеличению их эффективного времени жизни и соответственно к более полному сбору носителей. По­

одном из детекторов значения времени жизни электронов те и дырок тk в зависимости от обратного напряжения [30].

Для получения хорошего энергетического разрешения в 'де­ текторах средних размеров время жизни электронов и дырок должно быть не менее 10—15 мкс.

На рис. 1.14 показана зависимость эффективности сбора но­ сителей (электронов) в кремниевом детекторе при 15 К в зави­ симости от напряженности электрического поля.

47

Электрическое поле в детекторе приводит к некоторому сни­ жению потенциального барьера центров захвата, в результате чего с увеличением напряженности поля сечение захвата носи­ телей мелкими ловушками уменьшается пропорционально Е~312 [17]. Принципиально возможно воздействие поля и на глубокие

фективная температура становится выше средней температуры кристаллической решетки. Это «нагревание» носителей электри­ ческим полем высокой напряженности приводит к уменьшению сечения из захвата ловушками вследствие кулоновского взаимо­

В полях очень высокой напряженности (и особенно при низ­ ких температурах) становится возможным эффект освобожде­ ния носителей из мелких ловушек в результате туннельного эффекта [17].

48

Поля высокой напряженности положительно влияют также па сбор носителей в случае, когда из-за плохой компенсации обедненной области при наличии макродефектов возникают местные электрические поля в детекторе. Таким образом, если

Рис. 1.15. Зависимость амплитуды импульсов и энергетического разрешения G e(Li)-детектора при 77 К от приложенного обратного напряжения при высокой концентрации ловушек электронов:

/ — носители-дырки; 2 — носители-электроны и дырки (од­ нородное облучение); 3 — носители-электроны.

позволяют обратные токи, необходимо прикладывать к ППД возможно более высокое обратное напряжение, чтобы получить хорошие эксплуатационные характеристики.

На рис. 1.15 приведена зависимость амплитуды импульса и энергетического разрешения Ge (Li)-детектора с высокой кон­ центрацией электронных ловушек от напряженности электри-

49

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