Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

обстоятельства обеспечили создание детекторов с толщиной чувствительной области несколько миллиметров, работающих при напряжениях до 3000 В [8]. При помощи таких детекторов стали проводить спектрометрию электронов с энергией до не­ скольких мегаэлектронвольт. Детекторы из германия, изготов­ ленные по упомянутой технологии, практического применения не получили из-за существенно более тонкой чувствительной области и необходимости работы при низкой температуре для снижения обратных токов.

Только при использовании метода компенсации полупровод­ никового материала литием [9] появилась возможность изго­ товлять детекторы с толщиной чувствительной области до 10— 15 мм. Сущность компенсации состоит в том, что в полупровод­ никовый материал вводят такое количество соответствующей легирующей примеси, которое «связывает» имеющиеся в мате­ риале носители заряда, т. е. происходит «компенсация» носи­ телей. В результате этого полупроводниковый материал приоб­ ретает удельное сопротивление, близкое к собственному. Мате­ риал с электронной или дырочной проводимостью обозначают п- или p-тип соответственно, материал с собственной (или близ­ кой к собственной) проводимостью — г-тип. Поэтому детекторы такого типа нередко обозначают в литературе п—i—р-ППД или р—i—/г-ППД.

Для компенсации германия и кремния p-типа в настоящее время широко используют литий. Связано это с тем, что литий в этих материалах находится в ионизированном состоянии и поэтому может дрейфовать при приложении внешнего электри­ ческого поля. По мере дрейфа лития в глубь материала проис­

торы. Первоначально такие детекторы изготовляли планарного типа, особенность их в том, что слои полупроводникового ма­ териала разного типа проводимости расположены параллельно друг другу (рис. 1.2, в). Такие детекторы нашли применение в основном для регистрации длиннопробежных частиц и у-кван- тов средних энергий.

Поскольку для эффективной регистрации у-квантов необ­ ходимо, чтобы объем чувствительной области был достаточно велик, а геометрические размеры по всем трем пространствен­ ным осям координат были бы соизмеримы и желательно рав­ нозначны, провели широкие исследования, в результате кото­

9

рых были созданы коаксиальные диффузионно-дрейфовые де­ текторы. При изготовлении таких детекторов литий наносят на боковую цилиндрическую поверхность кристалла. После диф­ фузии и последующего дрейфа лития на определенную глубину, которая определяется свойствами исходного германия и техно­ логией дрейфа, области материала различной проводимости располагаются симметрично (коаксиальио) относительно оси цилиндрической заготовки (рис. 1.2,г). При такой технологии /-область выходит па верхний и нижний торцы цилиндра. Детек­ торы данной конфигурации в технической литературе называют коаксиальными ППД с двумя открытыми концами. Централь­ ную некомпенсированную часть детектора именуют «/7-пальцем» или «/7-стержнем».

Если в процессе изготовления коаксиального ППД литий наносят на одну из торцевых плоскостей цилиндра, получаю­ щийся детектор имеет чувствительную область, охватывающую некомпенсированную /7-область с боков и сверху. Про такие детекторы говорят, что они имеют один открытый конец. Не­ трудно заметить, что при одинаковых геометрических размерах к одинаковых условиях изготовления детекторы с одним откры­ тым концом имеют больший объем чувствительной области, чем ППД с двумя открытыми концами, т. е. коэффициент использо­ вания полупроводникового материала у детекторов первого типа выше, чем у второго.

В некоторых случаях для изготовления коаксиальных ППД используют германиевые слитки, поперечное сечение которых по форме напоминает трапецию. В этом случае если детектор из­ готавливают с двумя открытыми концами, его называют «четы­ рехсторонним», так как дрейф лития проводят с четырех боко­ вых поверхностей. Если же детектор изготавливают с одним открытым концом, его называют «пятпсторонпим», так как дрейф лития проводят с четырех боковых поверхностей и одного торца.

Следует отметить, что из-за относительно высокой подвиж­ ности лития в германии Се(Ы)-ППД необходимо постоянно держать при низких температурах (примерно ниже 200 К) для сохранения его эксплуатационных характеристик. При более высоких температурах может произойти «раздрейфование» де­ тектора, в котором под действием контактной разности потен­ циалов ионы лития начнут дрейфовать, образуя связи с герма­ нием и примесями, в результате материал может раскомпенсироваться, а детектор — необратимо выйти из строя.

Другой способ компенсации, используемый при изготовле­ нии германиевых ППД из материала с /i-тнпом проводимости, заключается в создании радиационных дефектов в полупровод­ никовом материале. При облучении германия д-типа жесткими у-квантами образуются глубокие акцепторные уровни, которые при определенном дозировании облучения могут компеисиро-

10

вать донорные уровни исходного германия. Толщина чувстви­ тельного слоя таких детекторов лежит в пределах 0,5—5 мм, что определяется свойствами исходного полупроводникового материала и дозировкой облучения. В литературе такие ППД называют германиевыми радиационными детекторами. По струк­ туре радиационные детекторы — детекторы планарного типа. В отличие от литнй-дрейфовых радиационные ППД можно дли­ тельное время хранить при комнатной температуре, эксплуата­ ционные характеристики их не изменятся.

Для создания относительно больших чувствительных объ­ емов необходимо использовать материалы с собственной прово­ димостью. Создание материалов с проводимостью, близкой к собственной проводимости, достигается компенсацией материала при помощи легирующей примеси. И только в последние годы обеспечены технические и технологические предпосылки изго­ товления германия с проводимостью, приближающейся к соб­ ственной [10]. Были изготовлены образцы поверхностно-барьер­ ных ППД из так называемого «сверхчистого» германия. Детек­ торы имели толщину чувствительной области несколько милли­ метров и хорошие спектрометрические параметры, их можно хранить при комнатной температуре. Говоря о достоинствах де­ текторов из сверхчистого германия, следует помнить, что они еще находятся на стадии лабораторных исследовательских об­ разцов.

Собственно элеКтронно-дырочные переходы еще не являются детекторами ионизирующих излучений. Полученный в резуль­ тате выполнения определенной последовательности технологиче­ ских операций «голый» электронно-дырочный переход крайне неустойчив к внешним воздействиям (климатическим, механиче­ ским и др.), поэтому электронно-дырочный переход защищают, 'помещая его в корпус или капсулу. Корпус ППД должен обес­ печить работоспособность детектора при его перемещениях и механических нагрузках, защищать от атмосферных воздейст­ вий, от света, и позволить оператору производить различные манипуляции с детектором. Некоторые типы ППД, например германий-литий-дрейфовые, необходимо помещать в специаль­ ные блоки детектирования, чтобы обеспечить условия для их длительной сохранности и эксплуатации. Поскольку эти блоки детектирования, называемые криостатами, обеспечивают полную изоляцию ППД от внешней среды, детектор в этом случае может представлять собой «голый» кристалл с выращенным электронно-дырочным переходом. В этом случае детектор назы­ вают детектором открытого типа. Такие детекторы применяют также при спектрометрии рентгеновского, мягкого уизлучения и при исследовании частиц высоких энергий, когда необходимо до минимума снизить влияние на результаты измерений раз­ личных поглотителей и рассеивателей.

Широкое применение ППД стало возможно, поскольку одно­

11

временно решалась задача уменьшения энергетического эквива­ лента шумов ППД. Иначе высокое значение коэффициента пре­ образования в ППД не имело бы смысла. Поясним это на при­ мере. Созданный ионизирующей частицей в ППД заряд, пока он не собран па выходных электродах ППД, практически не информативен. Задача состоит в том, чтобы его быстро и пол­ ностью собрать и зарегистрировать. Это, в свою очередь, предъявляет определенные требования к полупроводниковому материалу детектора и напряженности электрического поля в нем. Действительно, рожденные свободные носители заряда должны «жить» достаточно долго (по крайней мере в течение времени, пока их не собрали). Потерн носителей заряда могут происходить вследствие рекомбинации, захвата или прилипания и при попадании носителей в области, где напряженность элек­ трического поля либо мала, либо вообще отсутствует. Поэтому каждый изготовленный детектор должен характеризоваться вы­ сокой эффективностью собирания заряда. Вообще не обяза­ тельно стремиться к тому, чтобы эта величина была равна еди­ нице. Гораздо важнее постоянство * этой величины по всему объему чувствительной области ППД, иными словами, важнее требование минимальности величины

V

J [к2(у) — х2(v) ] dv

Ах (и) = —------------------------ ,

V

где y.(v) — эффективность собирания.

В этом случае собираемый на выходных электродах ППД заряд, созданный моноэнергетической ионизирующей частицей, будет иметь минимальный разброс. Очевидно, наиболее совер­ шенные ППД будут иметь предельное значение Дщ равное кулю. При этом считается, что создаваемый первичный заряд имеет минимальную начальную дисперсию, которая опреде­ ляется в первую очередь коэффициентом преобразования.

Если собранный па выходных электродах заряд «лежит» в шумах, то ни о какой прецизионности измерения энергии иони­ зирующей частицы не может быть и речи. Поэтому как детек­ тор, так и последующая электронная аппаратура, усиливающая и обрабатывающая сигнал ППД, должны вносить минимальный вклад шумов в тракт регистрации сигнала ППД с тем, чтобы отношение сигнал/шум было максимально. Если на величину полезного сигнала ППД экспериментатор и изготовитель не могут оказывать воздействия, то для реализации наибольшего значения отношения сигнал/шум необходимо н можно принять меры, чтобы уменьшить «размытие» полезного сигнала ППД шумами. Величина шума зависит от многих факторов, в том числе от некоторых параметров ППД, к ним в первую очередь

* Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в гл. 5.

12