Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

Определенный интерес представляет ППД с конфигурацией, близкой к полусфере (рпс. 5.3, з). Такие детекторы, по-видимо­ му, имеют определенные перспективы для использования в спектрометрии у-излучения в диапазоне энергий 100— 1000 кэВ. Емкость такого ППД определяется выражением

тен для полусферического ППД, поэтому /7-область может быть достаточно малой. Это приводит к тому, что такие детекторы могут иметь электрическую емкость, определяемую в основном распределенной емкостью самого ППД и токоподводящпх цепей.

Совершенствование технологии изготовления полупроводни­ ковых материалов неизбежно привело к созданию так называе­ мого сверхчистого, или «гнперчпстого», германия. Практически это германий собственной проводимости, у которого разност­ ная концентрация примесей проводимости не превышает 1010— 10“ см-3. Из такого материала легко изготовить детекторы пла­ нарной п—р-структуры [24—28]. За счет диффузии или ионной имплантации на противоположных сторонах заготовки ППД создаются контакты из соответствующих материалов, легирую­ щих исходный материал.

При известных значениях разностной концентрации приме­ сей в исходном материале и рабочего напряжения можно легкооценить толщину обедненной (для данного ППД — чувствитель­ ной) области при использовании номограммы, приведенной па рис. 5.4 [29]. Электрическую емкость такого детектора можнорассчитать по формуле (5.1).

Как видно из номограммы, толщина чувствительной области ППД из гиперчнстого германия в существенной мере зависит от того, насколько хорошо очищен материал от примесей.

Другой фактор, определяющий толщину чувствительной об­ ласти,-— рабочее напряжение ППД. К идеальному детектору можно приложить сколь угодно большое рабочее напряжениедля увеличения толщины его чувствительной области. На са­ мом же деле это не так, объясняется это несколькими причи­ нами. Одна из них—-в том, что у реального детектора нередко образуются проводящие каналы на боковой поверхности элек­ тронно-дырочного перехода. Поэтому предельно допустимое рабочее напряжение ППД определяется не пробоем его п—р- перехода, а избыточным шумом, резко снижающим спектромет­ рические качества ППД. Детекторы из суперчистого материала имеют обнадеживающие перспективы их широкого использова­

188

можно заключить, что основные преимущества ППД из герма­ ния собственной проводимости следуют пз отсутствия процесса компенсации исходного полупроводникового материала литием, что обеспечивает практическую возможность создания чувстви­ тельной области ППД требуемой толщины.

Экспериментатор при обращении с таким ППД может не заботиться об их охлаждении в нерабочем состоянии. В этом

W10

W00

W"

I

^ w'Z

ГТ

•'? '

Рис. 5.4. Номограмма для определения параметров детекто­ ров из германия собственной проводимости.

случае не наолюдается преципитация лития, которая приводит к необратимым ухудшениям измерительных параметров герма­ ниевых диффузионно-дрейфовых ППД. У детекторов, изготов­ ленных из германия собственной проводимости, практически от­ сутствует явление захвата носителей заряда, приводящее к. ушнрению спектральной линии и появлению «хвоста» («затя­ гивание») .

В зависимости от технологии нанесения контактных легиро­ ванных слоев и их пространственного расположения детекторы из германия собственной проводимости могут быть по конфи­ гурации и планарными, и коаксиальными.

Другой тип детектора, широко используемый в спектромет­ рии у-излучения, — ППД из германия я-типа, ко.мпенсирован-

189-

ного глубокими акцепторными уровнями [30—34]. Этот способ компенсации обеспечивается облучением заготовки ППД жест­

Ое(у)-ППД. Конфигурация чувствительной области у радиа­ ционных ППД — планарная, толщина чувствительной области их лежит в пределах 1—5 мм и зависит от параметров исход­ ного материала и режима облучения. Отличительная особен­ ность этих детекторов в том, что толщина мертвого слоя у них минимальна и не превышает 20—50 мкг/см2 золота, используе­ мого для создания поверхностно-барьерного перехода на гер­ мании.

Радиационные ППД, как и детекторы из гиперчпстого гер­ мания, не требуют охлаждения при хранении. Недостаток «радиационных» ППД — в довольно острой зависимости опти­ мальных измерительных параметров (энергетического разреше­ ния, формы аппаратурной липни и др.) от температуры, при которой эксплуатируется электронно-дырочный переход ППД. ■Опыт работы с отечественными радиационными детекторами промышленного изготовления типа ДГР показал, что измери­ тельные параметры большинства детекторов заметно не изме­ няются в диапазоне температур 77—88 К, некоторые образцы детекторов имеют наилучшие значения своих измерительных параметров только при температуре кипения жидкого азота

(78 К).

Завершая данный раздел, следует отметить, что Советский Союз — первая страна, в которой были созданы радиационные ППД на основе германия н-типа, компенсированного глубокими акцепторными уровнями [35], и освоено их промышленное про­ изводство.

§ 5.2. БЛОКИ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ С ИНД

Способы обеспечения рабочих температур ППД. Существен­ ное уменьшение обратных токов ППД и, следовательно, шумов ППД с одновременным резким улучшением энергетического разрешения обеспечивается в результате снижения температу­ ры, при которой эксплуатируются ППД. Широкие всесторонние исследования, проведенные с германиевыми ППД различных типов, позволили выявить температурный диапазон, в пределах которого обеспечиваются иаилучшие измерительные характери­ стики этих детекторов. Нижняя граница этого диапазона со­ ставляет примерно 20—30 К, а верхняя лежит в пределах 90— 100 К [36—40]. Отсутствие четких границ этого температурно­ го интервала обусловлено тем, что оптимизация температурных условий эксплуатации германиевых ППД достигается при эк­ стремуме конкурирующих процессов, лежащих в основе принци­

190

па работы полупроводникового детектора. Действительно, по­ нижение температуры детектора, с одной стороны, приводит к: снижению обратных токов ППД и увеличению подвижности но­ сителей заряда, что благоприятно влияет на энергетическое раз­ решение ППД, с другой стороны, приводит к увеличению энер­ гии образования пары носителей заряда, к уменьшению вре­ мени их жизни, к увеличению сечения захвата носителей ло­ вушками, а это оказывает отрицательное влияние на форму ап­ паратурной линии спектрометра с ППД и на его разрешение.

Индивидуальность каждого экземпляра ППД в какой-то мере, по-виднмому, связана с неконтролируемыми пока на со­ временном уровне процессами, протекающими при подготовке полупроводникового сырья, выращивании монокристаллов полу­ проводникового материала и при изготовлении самого ППД. Этими причинами, в частности, объясняют тот факт, что каждый экземпляр ППД имеет свою оптимальную температурную ра­ бочую точку: в диапазоне 40—60 К-

В результате изучения теплового равновесия реального ППД можно точно определить возможные источники тепла и пути, подвода тепла к нему. Основные из них, определяющие нагрев

Для обеспечения постоянной температуры ППД в указанном1 температурном диапазоне нужно, чтобы при требуемой темпе­

а затем п поддержание постоянной требуемой температуры на электронно-дырочном переходе ППД. Рассмотрим только не­ сколько основных, применяемых для обеспечения работы ППД. Наиболее широко в практике физического эксперимента приме­ няется метод отвода тепла от ППД криогену (хладагенту). В качестве криогеиов можно использовать газы, жидкости илгг твердые тела. При этом ППД может либо помещаться (погру­ жаться) в криогеи, либо только его касаться, либо иметь тепло­ вой контакт с криогеном через хладопровод.

Газообразные криогены имеют малую теплоемкость и тепло­ проводность, поэтому для охлаждения ППД необходимо осу­ ществлять интенсивный газообмен. Это обстоятельство требуег прнменения специальных устройств для создания и поддержания

19Г

такого газообмена. Сам газообмен должен поддерживаться строго постоянным для обеспечения стабильности температуры охлаждаемого ППД, так как изменять температуру ППД в про­ цессе его эксплуатации в физическом эксперименте крайне не­ желательно.

Исходя из приведенных выше причин, чаще всего в качестве крногена используют жидкости с гораздо большей теплоемкостью и теплопроводностью по сравнению с этими параметрами газо­ образных крногенов. К тому же отличительное свойство жид­ костей, как известно, — постоянная температура их кипения при определенном внешнем давлении над поверхностью жидкости. Поэтому, выбрав криоген с точкой кипения в требуемом темпе­ ратурном диапазоне, достаточно осуществить его надежный тепловой контакт с охлаждаемым ППД, чтобы обеспечить вы полненне условия (5.6). В этом случае тепло, передаваемое ППД и выделяемое в нем, будет в свою очередь передаваться крио­ гену в соответствии со вторым началом термодинамики. Коли­ чество передаваемого криогену тепла будет определять интен­ сивность его кипения (парообразования).

При выборе жидких крногенов (кроме требований создания необходимой рабочей температуры ППД) они должны быть

гелий — из-за их сравнительной дороговизны.

Использование жидкого крногена для охлаждения ППД позволяет осуществлять наилучшие условия для охлаждения ППД при погружении его непосредственно в криоген. При этом следует помнить, что конструкция ППД должна быть рассчи­ тана па значительные и резкие изменения температур — от ком­ натной до температуры кипения жидкого крногена. При погру­ жении ППД в жидкий криоген следует учитывать неизбежное увеличение емкости ППД, подключаемой ко входу усилитель­ ного тракта, обмерзание контактных сигнальных проводов ППД вследствие конденсации' паров воды из окружающего воздуха, а также возможный эффект нестационарного изменения емкости ППД и соединительных сигнальных проводов из-за сотрясений, вызываемых всплывающими пузырьками пара (барботажем) крногена. Кипение крногена, вызывающее механические пере­ мещения ППД и его токовыводов, приводит к нежелательным

* Температура технического жидкого азота может отличаться от ука­ занной на несколько градусов пз-за разбавления азота кислородом воздуха и другими газами.

192