Файл: Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами..pdf

•беппостях движения и сбора образовавшегося заряда в ППД. Хотя носители заряда образуются при прохождении заряжен­ ной частицы во всех без исключения твердых телах (так же как и в жидких и газообразных), далеко ие все можно исполь­ зовать в качестве исходных веществ для изготовления детекто­ ров ионизирующих излучении.

Материал, используемый для изготовления «твердой иони­ зационной камеры» для спектрометрических целей, должен удовлетворять ряду специфических требований:

1. Сопротивление материала электрическому току должно быть достаточно велико. Для сбора образовавшегося заряда, как и в газонаполненном детекторе, к твердому детектору при­ кладывают напряжение значительной величины. В отсутствие воздействия излучения в его цепи ие должен существовать электрический заряд, способный заметно исказить величину за­ ряда, возникшего в объеме при воздействии излучения. При рабочей температуре вещество детектора должно иметь мини­ мально возможное число свободных носителей. Этот минимум в каждом конкретном случае определяется энергией регистри­ руемой частицы или кванта и допустимым ухудшением энерге­ тического разрешения детектора.

2. Внутренняя структура материала и его свойства должны быть таковы, чтобы весь образовавшийся в детекторе заряд или большая его часть могли быть собраны на соответствую­ щих электродах, т. е. требуется, чтобы эффективность собира­ ния была близка к единице. Это выполнимо, когда вещество детектора не содержит значительного числа ловушек с боль­ шим сечением захвата носителей, приводящим к их длительной задержке или рекомбинации.

3.Носители заряда должны иметь высокие подвижность и Еремя жизни в полупроводниковом материале. Эффективность собирания носителей будет тем выше, чем быстрее носители будут собраны в электрическом поле. Кроме того, выходной импульс тока будет иметь крутой фронт нарастания.

4.Энергия образования пары носителей заряда должна быть минимально возможной. При этом статистические флуктуации числа созданных зарядов уменьшаются, а следовательно, со­ здаются условия для получения высокого энергетического раз­ решения.

5.Эффективный атомный номер материала детектора дол­ жен быть возможно более высоким. Это требование связано с необходимостью обеспечения высокой чувствительности детек­ торов излучения, эффективность поглощения которого резко зависит от заряда ядра тормозящей среды.

Отметим сразу, что материала, удовлетворяющего всем этим требованиям, в природе не существует. Так, изоляторы, веще­ ства с очень высоким сопротивлением, имеют совсем мало сво­ бодных носителей. Однако время жизни носителей и их по­

18

движность в этих веществах весьма малы. Кроме того, ловуш­ ки, в большом количестве присутствующие в этих материалах, предпочтительно захватывают и удерживают продолжительное время носители какого-либо одного знака, в результате чего возникает сильная поляризация, препятствующая длительной непрерывной эксплуатации детектора.

Продолжительные теоретические и экспериментальные ра­ боты показали, что в настоящее время наиболее полно пере­ численным требованиям отвечают кремний и германий, эле­ менты IV группы периодической системы, относящиеся к клас­ су полупроводников.

Широкое использование кремния и германия в качествематериалов для изготовления твердотельных детекторов объяс­ няется и высокой технологической отработкой процессов изго­ товления этих материалов, поскольку в силу исторических об­ стоятельств их широко используют для изготовления диодов и транзисторов в электронной промышленности.

Кремний и германий образуют правильную кубическую про­ странственную кристаллическую структуру, в которой каждый; атом, расположенный в узле решетки, связан с остальными четырьмя атомами внешними валентными электронами. В кри­ сталлической решетке электроны соседних атомов становятся паритетными, так что каждый атом оказывается окруженным восемью электроиами.

Такая правильная структура присуща только идеальным кристаллам и обычно не реализуется на практике. По многим причинам идеальная структура нарушается вследствие различ­ ных несовершенств кристаллической решетки. В частности, на место атома кристалла может попасть атом другого элемента,, в результате чего возникнет дефект замещения.

При других условиях в решетке кристалла может отсутст­ вовать один атом, что вызовет появление вакансии или так на­ зываемого дефекта Шоттки. Атом основного элемента, обра­ зующий кристалл, может быть расположен не в узле решетки, а в междоузлии, образуя междоузельный эффект, либо можетперейти из узла в междоузлие, создав дефект по Френкелю. Под влиянием внешних условий эти дефекты могут возникать,, исчезать, переходить один в другой.

Описанные дефекты кристаллической решетки носят локаль­ ный, точечный характер, поскольку они связаны с неправиль­ ным расположением одного-двух атомов. Наряду с точечными микродефектами в кристаллах мог\т возникать и макродефекты с более протяженной пространственной структурой, вызванныенеправильным расположением многих атомов и атомных полу­ плоскостей, в результате возникают дислокации различного рода (краевая, винтовая и др.). Такие несовершенства возни­ кают в результате термических и механических напряжений, неоднородности условий роста по сечению и объему кристалла

19'

и прочих причин. В зависимости от обстоятельств дислокации и дефекты могут быть распределены равномерно по объему кри­ сталла, но чаще всего — неоднородно. Существенный момент, объединяющий практически все типы нарушения правильной структуры решетки кристалла, — возникновение непарнтетных валентных электронов, значительно слабее связанных со своими атомами, чем электроны, участвующие в ковалентной связи ато­ мов в кристалле.

Подобно т о м у как в отдельном атоме электроны могут иметь только дискретную энергию, определяемую набором квантовых

5внешних электронов, входящих в идеальную кристаллическую решет­

ку, расщепляются и из-за большо­ го количества образуют практиче­ ски непрерывную энергетическую полосу или зону.

Эта зона, в которой размеща­ ются валентные электроны, отде­ лена от расположенной выше зоны

проводимости запрещенной зоной, ширина которой Eg равна по величине минимальной энергии, необходимой для превращения валентного электрона в электрон проводимости (рис. 1.3).

Если Eg более 2 эВ, в зоне проводимости при нормальной температуре практически нет электронов, и материал является изолятором. Если Eg менее нескольких десятых долей электронвольта или равна нулю, все атомы при 20° С ионизированы, все электроны участвуют в электропроводимости, и вещество на­ зывают металлом (этот материал, как и изоляторы, не отвечает предъявляемым требованиям). В кремнии и германии, как и в остальных полупроводниках, E g находится в диапазоне 0,5— 2,0 эВ (указанные границы, естественно, условны).

Вполупроводниковом материале, не содержащем дефектов

идислокаций, в запрещенной зоне мет энергетических уровней, поэтому число электронов в зоне проводимости определяется только шириной запрещенной зоны Eg и температурой мате­ риала Т.

Если п — число электронов в зоне проводимости, то

п = N {E)e~EslkT,

где N (Е) — плотность состояний электронных уровней, а к — по­ стоянная Больцмана. Так, при комнатной температуре удельное

-20

Наличие в кристалле дефектов и дислокаций резко меняет эту картину. Поскольку, как отмечалось выше, электроны ато­ мов, составляющих дефекты и дислокации, слабо связаны, их, энергетические уровни могут находиться в запрещенной энер­ гетической зоне. Поэтому количества энергии, передаваемой такому электрону в результате теплового колебания решетки при нормальной температуре, вполне достаточно, чтобы атом ионизировался, а электрон перешел в зону проводимости. Кроме того, полупроводниковые материалы практически всегда содер­ жат большее или меньшее количество атомов посторонних эле­ ментов, примесей, как бы хорошо материалы не были от них очищены.

Если атом примеси принадлежит к V группе периодической системы, то четыре его атома участвуют в ковалентной связи с

.атомами полупроводникового материала (кремния или герма­ ния), а пятый имеет слабую связь и легко переходит в зону проводимости. Энергетические уровни таких атомов расположе­ ны вблизи верхнего края запрещенной зоны, а примеси такого типа называют донорами.

Примеси III группы периодической системы для образова­ ния устойчивой структуры требуют дополнительного электрона, который они захватывают из валентной зоны. В результате ухо­ да электрона образуется вакансия, которую для простоты на­ зывают дыркой. Энергетические уровни таких атомов распо­ ложены обычно в нижней части запрещенной зоны, примеси называют акцепторами, а проводимость, обусловленную такими лрнмесямц, — дырочной.

Наличие примесей и дислокаций в реальных образцах кремния и германия во много раз увеличивает их собственную проводимость. По этой причине кремний и тем более германий нельзя непосредственно использовать в качестве детекторов излучения. Поэтому разработано несколько способов, позволяю­ щих уменьшить проводимость материала до необходимой ве­ личины. Один из них заключается в охлаждении материала. Как следует из приведенной выше формулы, проводимость полу­ проводникового материала резко уменьшается при снижении его температуры. При температуре жидкого азота кремний и гер­ маний с собственной проводимостью имеют ничтожную про­ водимость и могут быть использованы в качестве детекторов проводящего или однородного типа.

Широкое применение нашел другой способ создания мате­ риала с собственной проводимостью — компенсация проводимо­ сти путем введения в полупроводник атомов определенных леги­ рующих элементов. В зависимости от валентности атомов при­ меси, содержащейся в кристаллах полупроводникового материа­ ла, полупроводниковый материал обладает электронной или

.21