Файл: Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений..pdf

В монокристаллах CdS осуществляется а-прилипание элект­ ронов [37], т. е. т3<Ст, где т3— время существования свободных электронов в зоне проводимости до захвата на мелкие ловушки. Это означает, что практически все образовавшиеся электроны спустя время т3 захватываются на ловушках. Выход из ловушек происходит по экспоненциальному закону с постоянной време­ ни тт, зависящей от глубины ловушек и температуры.

Если заряженная частица, проходя через кристалл, образует N пар носителей, то дырки захватываются на центры рекомби­ нации за время ІО-8—ІО-9 сек, а электроны на ловушки за вре­ мя ІО-6 сек. Число электронов в зоне проводимости определя­ ется соотношением (3.26). Экспериментальное исследование в общих чертах подтверждает проведенный анализ.

Весьма интересное явление наблюдается при облучении кри­ сталла CdS, короткими (ІО-6 сек) импульсами света (а также- а- или ß-частицами) совместно с постоянной подсветкой види­ мым светом (540 нм).

При увеличении интенсивности постоянной подсветки импуль­ сы напряжения на выходе детектора увеличиваются, достигая максимального значения (в десятки раз превышающего ампли­ туду импульса в темноте). Увеличение амплитуды импульса обусловлено тем, что при заполнении ловушек вероятность за­ хвата электрона уменьшается *, в результате чего среднее время жизни электрона в зоне проводимости увеличивается. Это про­ исходит до тех пор, пока сохраняется условие т3^ т . Однако при дальнейшем увеличении интенсивности подсветки амплитуда импульсов начинает уменьшаться, что трудно объяснить с помо­ щью рассмотренной выше модели. Можно предположить, чтоуменьшение амплитуды импульса обусловлено повышением уровня Ферми при увеличении интенсивности подсветки, в ре­ зультате чего часть уровней прилипания превращается в уровни рекомбинации. Это уменьшает время жизни. Амплитуда импуль­ са в этих условиях определяется уже не временем захвата на ловушках т3, а меньшим по величине временем жизни т. Этот же процесс должен приводить к уменьшению заселенности уровней прилипания, т. е. к уменьшению влияния на процесс глубоких ловушек.

Влияние электрического поля на заселенность ловушек

Внешнее электрическое поле уменьшает заселенность лову­ шек и, следовательно, может изменять инерционность, а также заселенность R- и 5-уровней. Последнее должно привести к не­ линейности вольт-амперных характеристик. Поэтому влияние

* Известную роль играет и заполнение мелких ловушек при большой ин­ тенсивности подсветки.

электрического поля на заселенность ловушек изучали на кри­ сталлах, вольт-амперные характеристики которых были линейны в исследуемом диапазоне, т. е. можно было считать (если исклю­ чить возможность случайной компенсации), что поле не изме­ няло концентрацию электронов и их время жизни в зоне про­

лульса тем больше, чем меньше время жизни, и соответственно больше концентрация электронов в зоне проводимости *, а сле­ довательно, и на ловушках. При ступенчатом уменьшении на­ пряжения (от U2 до Uі) наблюдается выброс вниз (см. рис. 3.2, участок 4), ток уменьшается ниже стационарного для Uі зна­ чения.

Совокупность экспериментальных фактов можно объяснить, если предположить, что включение электрического поля приво­ дит к понижению потенциальных барьеров ловушек, в результа­ те чего некоторая доля электронов (находящаяся на высоких уровнях возбуждения) оказывается в зоне проводимости.

Этот процесс в случае, когда длина свободного пробега электрона больше ширины ямы (1>а), должен происходить прак­ тически мгновенно (около ІО-8 сек), что и приводит к наблю­ даемому выбросу 1. Отметим, что, согласно излагаемой точке зрения, при /< а амплитуда выброса должна быть существенно

* Одно и то же стационарное значение тока получали при освещении 'кристаллов излучением с различным содержанием инфракрасного света.

<62

меньше (или не наблюдается), поскольку скорость освобожде­ ния электронов в этом случае будет определяться диффузией и может быть сравнима со скоростью захвата электронов на более глубокие ловушки (или сравнима со скоростью рекомби­

нации).

Таким образом, большая величина амплитуды выброса (по порядку величины равная стационарному значению тока) сви­ детельствует о том, что время освобождения электронов нз ло­ вушек существенно меньше времени теплового захвата, что воз­ можно только при условии 1>а. (Это условие может служить-

методом оценки длины свободного пробега). Электроны, оказав­ шиеся в результате понижения потенциального барьера в зоне проводимости, захватываются на более глубокие ловушки, в ре­ зультате чего ток уменьшается (участок 2 на рис. 3.2) с по­ стоянной времени ~ т3. У всех кристаллов, испытывающих га­ шение фототока при действии инфракрасного света, наблюда­ ется так называемая яма (см. рис. 3.2, участок 3). Ее величина зависит от интенсивности инфракрасного света и может быть обусловлена переходом дырок под действием поля с уровней R на уровни 5.

Выброс вниз (см. рис. 3.2, участок 4), наблюдающийся при выключении электрического поля, можно объяснить повыше­ нием потенциального барьера, в результате чего возникают не­ заполненные ловушки. Затем происходит заполнение ловушек, что приводит к постепенному росту тока до стационарного зна­ чения. Скорость заполнения ловушек (и следовательно, скорость роста тока) соответствует данной интенсивности излучения.

63

ГЛАВА 4

НЕОДНОРОДНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

§4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕТЕКТОРОВ

В настоящее время практическое применение в дозиметрии получили ППД на основе Si и GaAs. Германиевые ППД исполь­ зуются в лабораторных условиях при низкой температуре [42].

Не вызывает сомнения целесообразность разработки ППД на основе CdTe, GaP, SiC и других полупроводников с большой шириной запрещенной зоны, сочетающих высокую эффектив­ ность регистрации излучения со стабильностью [43—48]. В на­ стоящее время большинство таких детекторов находится в ста­ дии экспериментальной разработки.

В дозиметрии фотонного излучения используются как полу­ проводниковые приборы, специально предназначенные для пре­ образования энергии ионизирующего излучения в электрический сигнал (детекторы ионизирующих излучений), так и приборы другого функционального назначения (диоды, фотоэлектриче­ ские преобразователи видимого света в электрическую энер­ гию — «солнечные элементы» и др.).

Неоднородные детекторы классифицируются: по структуре, технологии изготовления, принципу работы, функциональному назначению и другим признакам.

По структуре неоднородные детекторы разделяются на ППД с р—а-, р—і—n-, п—р—п-(р—п—р) -переходами. Возможно ис­ пользование и более сложных структур (например, р—п—р—/г), однако пока они практического применения не получили.

По способу изготовления р—/г-перехода ППД разделяются на поверхностно-барьерные, диффузионные, детекторы с ионным легированием, диффузионно-дрейфовые, сплавные.

По принципу работы ППД можно условно разделить на три группы: детекторы без усиления, с пропорциональным усиле­ нием, с лавинным усилением.

§4.2. ПРИНЦИП РАБОТЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТЕКТОРОВ

ср — /г-ПЕРЕХОДОМ

р— «-Переход

Обедненный носителями слой (р—/г-переход) образуется на границе раздела монокристаллнческого полупроводника с элект­ ронной (/г-областыо) и дырочной (р-областыо) проводимо-

стями в результате диффузии электронов в р-, а дырок в /2-область.

Электрон (светлый кружок на рис. 4.1, а), покидая примес­ ный атом, превращает его в положительный ион; дырка (темный кружок на рис. 4.1, а) — в отрицательный. Вблизи границы раз-

дела р- и /г-областей образуется двойной электрический слой, состоящий из положительных ионов и дырок в /г-области, отри­ цательных ионов и электронов в р-области. Электрическое поле этого слоя препятствует дальнейшей диффузии дырок и элект­ ронов. При равных концентрациях электронов и дырок распре­ деление электрического поля симметрично относительно грани-

.цы раздела, при различных— поле проникает глубже в

66