Файл: Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений..pdf

нием в рабочем объеме полупроводника в единицу времени, а следовательно, и мощность поглощенной дозы.

Неравномерная генерация без учета диффузии носителей

Если ослаблением излучения в объеме полупроводника пре­ небречь нельзя, то скорость генерации носителей будет зависеть от координат. Пусть нормально к входному-окну детектора с площадью 5 падает излучение с интенсивностью Д (рис. 3.1). Поглощенная в объеме кристалла энергия определяется по фор­ муле (1.50).

Если вектор напряженности электрического поля Е напра­ вить нормально к пучку излучения, то диффузией носителей в этом направлении можно пренебречь* и число генерируемых в

Подставляя значение G в (3.13), получаем значение тока на выходе детектора.

Если вектор напряженности электрического поля направлен параллельно пучку, то изменение распределения носителей по объему детектора может влиять на величину тока (число гене­ рируемых пар носителей различно в различных сечениях и за­ висит от энергии кванта излучения).

§ 3.4. ДЕТЕКТОРЫ НА ОСНОВЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ CdS

Сульфид кадмия — один из наиболее чувствительных фото­ проводников. Он применяется для регистрации заряженных ча­ стиц [30] и для индикации и дозиметрии рентгеновского и уизлучений [34].

Свойства кристаллов сульфида кадмия сильно зависят от условий выращивания. Одним из основных параметров, харак­ теризующих чувствительность CdS к излучению, является время жизни свободных носителей т. В неактивированных кристаллах CdS времена жизни электронов и дырок примерно равны (ІО-6— 10-s сек). В результате активации можно осуществить «очувствление» кристалла [35]. До активации в кристалле CdS существуют центры рекомбинации 5. При активации дополни­ тельно возникают центры R с существенно меньшим сечением рекомбинации. При облучении кристалла дырки переходят с уровней S на уровни R (число дырок на уровнях R быстро уменьшается из-за рекомбинации с электронами), что приво-*

* Кристалл можно рассматривать как совокупность детекторов, включен­ ных параллельно, причем в каждом из них величина g постоянна по объему.

57

дит к увеличению времени жизни электрона на несколько по­ рядков (до ІО-3 сек), а следовательно, и к увеличению фото­ проводимости. Обратный процесс (перевод дырок с уровней R на уровни S) приводит к уменьшению (или гашению) фото­ проводимости* [35].

В активированном кристалле CdS кроме центров рекомби­ нации существуют и центры прилипания для электронов. Нали­ чие мелких уровней прилипания приводит к увеличению време­ ни нарастания и спада тока при включении и выключении из­ лучения.

Время жизни электронов и степень заполнения уровней при­ липания зависят от интенсивности излучения и напряженно­ сти электрического поля.

Таким образом, характеристики детектора на основе CdS могут изменяться в зависимости от интенсивности излучения,, его спектрального состава, температуры, напряженности элек­ трического поля и других факторов. Этим в значительной сте­ пени. обусловлено «разнообразие» данных различных авторов.

Вольт-амперные характеристики

Увеличение напряженности электрического поля может при­ вести к уменьшению вероятности рекомбинации электронов с дырками. Это увеличивает время жизни электронов и, следова­ тельно, чувствительность детектора. В то же время электриче­ ское поле может изменить относительную заселенность дырок на уровнях R и S, что также приводит к изменению времени жизни электронов. Вольт-амперная характеристика в этом слу­ чае нелинейна.

Дырки с уровней R можно перевести на уровни S, освещая кристалл инфракрасным светом. Это приводит к уменьшению' фотопроводимости. Инфракрасный свет «гасит» фотопроводи­ мость **. Эксперименты показывают, что электрическое поле усиливает эффект гашения. Это можно объяснить увеличением вероятности перехода дырок с уровней R на уровни S. Тогда уровень R, захвативший дырку, является нейтральным центром, в то время как уровень S, захвативший дырку, представляет собой заряженный центр. Это заключение согласуется с данными' работы [35].

Поэтому вид вольт-амперной характеристики зависит также от интенсивности и спектрального состава излучения. Если вре­ мя жизни электрона и концентрация свободных носителей не изменяются с полем, то вольт-амперная характеристика в ста­ ционарном режиме линейна.

* Перевод дырок с уровней медленной рекомбинации (R) на уровни быстрой рекомбинации (S) может происходить под действием инфракрасного излучения или тепла.

** Возможно и температурное гашение.

58

Заполнение мелких ловушек

Детекторы на основе CdS обладают большой инерцион­ ностью. Ток достигает стационарного значения через несколько десятков секунд (в зависимости от интенсивности) после начала облучения. Нарастание тока связано с выбросом электронов из постепенно заполняющихся ловушек. Спад после прекращения облучения обусловлен опустошением заполненных ловушек.

Рассмотрим несколько типичных случаев кинетики фотопро­ водимости CdS, обусловленной заполнением мелких ловушек.

Впростейшем случае, когда концентрация мелких ловушек

ицентров рекомбинации больше концентрации создаваемых све­ том носителей заряда, кинетические уравнения для концентра­ ции свободных и локализованных на мелких ловушках носите­ лей заряда имеют вид:

ловушки; т — время жизни до рекомбинации; тт — время жизни на ловушках до освобождения.

При прохождении частицы в момент ^ = 0 (бесконечно корот­ кий импульс, т. е. п(0)=п0, лм(0) =0 и далее образование но­ сителей отсутствует) зависимость концентрации n(t) от времени можно получить из решения системы (3.22) в виде

При t—>-оо n(t) стремится к равновесному значению л(оо) =

=л0т3/(тз+тт).

2.Тз-Ст-Стт процесс определяется захватом на мелкие ло­ вушки. Тогда

59

3. Тз-С|Тт<Ст. В этом случае выражение для n(t) совпадает

спредыдущим.

4.т<Ст3<С,тт. Преобладает рекомбинация и велико время жизни на ловушках

Рассмотрим теперь случай, когда излучение включается в момент t = 0 и интенсивность его поддерживается постоянной. Вследствие нелинейности уравнений (3.22) зависимость концент­ рации n(t) от времени равна

Соответствующее выражение вследствие его громоздкости мьг не приводим. Отметим лишь, что во всех случаях стационарное значение концентрации равно пт и не зависит от характеристик мелких ловушек.

Рассмотрим случай, когда концентрация ловушек сравнима с концентрацией носителей заряда. При импульсной засветке и в пренебрежении рекомбинацией кинетические уравнения имеют вид

При t—>-оо n(t) стремится к равновесной концентрации п(оо)=.

=*!•

Вслучае стационарной засветки с интенсивностью J получа­

ются довольно громоздкие уравнения. Стационарное значениеконцентрации носителей по-прежнему равно п%2 .

60