Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

толщиной чувствительной области проигрывают по своим спек­ трометрическим свойствам детекторам с малыми размерами. Это обусловлено ростом емкости и поверхностных токов утечки с уве­ личением размеров площади чувствительной поверхности, а с ро­ стом толщины чувствительной области увеличивается вклад генерационной составляющей в обратный ток ППД. Эти пара­ метры, в свою очередь, определяют энергетический эквивалент шумов ППД, поэтому для наиболее прецизионных измерений используют ППД малых геометрических размеров либо тща­ тельно отобранные ППД больших размеров, у которых пере­ численные параметры дают минимальный вклад в энергетиче­ ский эквивалент шума.

Для некоторых задач прикладной спектрометрии требуется использовать ППД с площадью чувствительной поверхности в несколько десятков квадратных сантиметров. Увеличение пло­ щади чувствительной поверхности ППД связано с большими трудностями технологии выращивания слитков монокристаллов кремния большого диаметра с необходимыми физическими па­

мозаичные структуры из отдельных ППД, заключенные в один общий корпус [14]. Такое повышение чувствительности ППД приводит к некоторому ухудшению энергетического разреше­ ния такого мозаичного детектора, однако обеспечивает замет­ ный выигрыш в чувствительности.

Мозаичные ППД, применяемые в настоящее время, пред­ ставляют собой композицию из 4, 6, 8 и т. д. отдельных поверх­ ностно-барьерных ППД прямоугольной формы с площадью чув­ ствительности поверхности несколько квадратных сантиметров (рис. 3.4). Подбор отдельных элементов в мозаику производится по примерно одинаковым следующим параметрам: толщине чувствительной области, толщине мертвого слоя, вольт-ампер-

5* 13!

улучшения стабильности поверхностно-барьерных ППД при ра­ боте в глубоком вакууме. В рекламных проспектах фирмы «Симтек» сообщается о пассивации кремния для увеличения ме­ ханической прочности выпускаемых диффузионно-дрейфовых ППД. В работах [19—26] сообщается о технологии напыления окиси кремния на чувствительную поверхность ППД. Пленки из сернистого цинка применяют для просветления кремниевых фотопреобразователей солнечной энергии. В отечественной ли­ тературе сообщается [18] о применении защитных пленок из моно- и двуокиси кремния, сульфида цинка и двуокиси олова, наносимых непосредственно на входное окно чувствительной по­

ронно-дырочного перехода от действия света обычно применя­ ют алюминиевые пленки, наносимые непосредственно на вход­ ное окно вакуумным напылением [27].

Как видно из настоящего параграфа, имеется довольно широкая номенклатура ППД, которые можно использовать для решения конкретных прикладных задач спектрометрии тяжелых заряженных частиц. Естественно, широко использовать ППД было бы невозможно без унификации габаритных и подсоедпнительиых размеров и конструктивного исполнения ППД. Вопросы единства и унификации различных ППД впервые были рассмот­ рены в работе [28], в которой высказывались предложения по выпуску промышленных детекторов в унифицированном испол­ нении.

• В результате широкого обсуждения этих вопросов среди специалистов СССР и зарубежных стран были выработаны тех­ нические предпосылки унификации ППД, нашедшие свое отра­ жение в международных рекомендациях по стандартизации и ГОСТ 17135—71,.

Спектрометрические характеристики ППД и требования к блокам детектирования. Полупроводниковый детектор можно рассматривать как ионизационную камеру с «твердым напол­ нением». В частности, поверхностно-барьерный или диффузион­

Это требование необходимо, чтобы в чувствительной обла­ сти ППД произошло полное выделение энергии а-частицей и

133

ратной полярности такого значения, которое обеспечит толщину чувствительной области W (мкм), большую, чем длина пробега а-частнцы, в соответствии с соотношениями (3.1) и (3.2), при­ веденными ниже:

134

Для большинства практических применении очень удобно воспользоваться соотношением между пробегом а-частиц раз­ личной энергии и величиной последней (см. рис. 3.1).

В настоящее время толщина чувствительной области крем­ ниевых поверхностно-барьерных ППД промышленного произ­ водства, изготовленных из материала с высоким удельным со­ противлением, достигает 2 мм и более при площади чувствитель­ ной поверхности 2—5 см2. На таких детекторах стало возмож­ ным проводить измерения энергии а-частиц широкого энерге­ тического диапазона.

При прецизионных измерениях столкнулись с фактом, что зависимость между энергией ионизирующей частицы и зарядом, собранным в ППД, проходит не через нуль координат, а через некоторую точку правее нуля. Анализ причин этого явления по­ казывает, что регистрируемая частица теряет часть своей энер­ гии до попадания в чувствительную область, т. е. при движении через входное окно ионизирующая частица теряет часть своей энергии в мертвом слое ППД. Обычно величина толщины мерт­ вого слоя указывается либо в энергетических единицах для дан­ ного вида излучений, либо в единицах поверхностной плотности материала входного окна, либо в единицах длины (толщины) материала входного окна.

Один из самых простых способов определения толщины мерт­ вого слоя, используемых на практике, — измерение зависимости между амплитудой выходного сигнала ППД и энергией ионизи­ рующей частицы. Экстраполируя полученную зависимость до пересечения с осью энергий, определяют толщину мертвого слоя в энергетических единицах для данного типа ионизирую­ щих частиц. Однако этот метод обладает большой погрешно­ стью измерения, поскольку не всегда строго учитываются усло­ вия измерения: толщина активного слоя излучателя, наличие потерь энергии при движении ионизирующей частицы от излуча­ теля до детектора, факторы коллимации, интегральная нелиней­ ность характеристики преобразования сигнала усилительным спектрометрическим трактом и др.

Более перспективен и точен метод, основанный на измерении энергетических потерь ионизирующих частиц при изменении угла падения у последних на входное окно чувствительной по­ верхности.

В этом случае толщину мертвого слоя можно рассчитать по соотношению

Л£ = ANS/(sec ср — 1),

где ДА' — сдвиг положения максимума амплитудного распре­ деления в каналах при падении ионизирующих частиц под уг­ лом ср по сравнению с положением максимума при нормальном падении ионизирующих частиц; S — энергетическая цена шири­

135

ны капала анализатора, при помощи которого регистрируется амплитудное распределение.

При измерениях следует принимать жесткие меры для кол­ лимации потока ионизирующих частиц. Анализ погрешностей этой методики приводится в работе [30], из которой следует, что минимальные погрешности измерения будут обеспечиваться при углах падения в пределах 55—75°. Данную методику при­ менили авторы книги в 1962 г. при исследовании характеристик отечественных поверхностно-барьерных детекторов. Для удоб­ ства измерения угол падения ионизирующих частиц выбрали равным 60°. В этом случае сдвиг положения максимума ампли­ тудного распределения получается равным толщине мертвого слоя, выраженной в энергетических единицах. С некоторыми изменениями данная методика описана также в работах [31,32].

Относительную простоту данной методики определения тол­ щины мертвого слоя ППД и ее воспроизводимость используют

ППД описан в работе [32J. Сущность метода состоит в следую­ щем. В вакуумной камере располагается исследуемый ППД и напротив пего — радиатор с большим коэффициентом вторич­ ной эмиссии электронов. Между ППД и радиатором приклады­ вается разность потенциалов таким образом, что радиатор на­ ходится под отрицательным потенциалом, который в процессе измерения можно изменять, ППД заземлен. Обстреливая ра­ диатор ионизирующими частицами, создают направленный по­ ток вторичных электронов, падающих на чувствительную по­ верхность ППД. В результате обработки получающихся ампли­ тудных распределений получают зависимость между ампли­ тудой сигнала, созданного в ППД, и энерговыделением вторич­ ных электронов, количество которых колеблется от одного до

определения минимально тонких мертвых слоев ППД при спек­ трометрии низкоэнергетических тяжелых ионов, поскольку можно в широких пределах варьировать ускоряющее напряже­

ние между ППД и радиатором.

При спектрометрических измерениях тяжелых заряженных частиц экспериментаторы столкнулись с тем фактом, что тол­ щина мертвого слоя зависит от приложенного к ППД рабочего напряжения, от энергии, массы и заряда ионизирующей частицы и, наконец, от ориентации трека заряженной частицы относи­ тельно кристаллографических осей полупроводникового мате­ риала ППД. Для объяснения этих причин в различных рабо­

136