Файл: Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений..pdf

объем материала с меньшей концентрацией носителей за­ ряда *.

После установления равновесия уровни Ферми Ео обеих об­ ластей совпадают, схема энергетических зон имеет вид, пока­ занный на рис. 4.1,6. Величина образовавшейся разности по­

удельные сопротивления в каждой из я- и /^-областей соот­ ветственно.

В переходной области расстояние от уровня Ферми до края основных зон больше, чем в исходных я- и ^-полупроводниках, и, следовательно, концентрация носителей меньше. Поэтому этот слой называется обедненным.

Если к р—я-переходу приложено напряжение U в обратном направлении (диодная схема включения), то оно практически все падает на обедненном слое, имеющем повышенное сопро­ тивление. Высота потенциального барьера возрастает, толщина обедненного слоя d0 увеличивается до d\ (см. рис. 4.1, а). Не­ основные носители тока, возникающие на расстоянии длины диффузии от области объемного заряда, попадая в нее, увлека­ ются внешним полем к противоположной стороне р—я-перехода и рекомбинируют. Эти носители образуют диффузионную со­ ставляющую (/диф) темнового тока / т во внешней цепи.

Аналогичная ситуация имеет место для электронов и дырок, генерируемых в слое объемного заряда: электроны дрейфуют во внешнем поле к положительному электроду (я-слою), дыр­

средой (обычно воздух), обусловливают поверхностную состав­ ляющую /п тока / т. Таким образом, темновой ток равен

Увеличение концентрации носителей в каждой области р—я- перехода при возбуждении ионизирующим излучением приводит к возникновению фототока /ф. Так же как и в однородных детек­ торах фототок /ф в определенных условиях пропорционален энергии, поглощенной в чувствительном объеме, который в дан­ ном случае определяется толщиной обедненной области и диф­ фузионными длинами неосновных носителей в каждой из обла­

* Соответственно различают симметричный и асимметричный р—/г-пере- ходы. При скачкообразном изменении концентрации примесей (см. рис. 4.1) р—«-переход называется ступенчатым (резким) и плавным, если область изменения концентрации сравнима с толщиной обедненной области.

3* 67

стей. Важно также отметить, что ток /ф появляется сразу после образования неравновесных носителей.

При облучении детектора ток во внешней цепи появляется также и в отсутствие напряжения U в результате фотовольтаи­ ческого эффекта, состоящего в следующем. Неравновесные электроны, образованные в p-области (например под воздейст­ вием излучения) на расстоянии от обедненной области, меньшем длины диффузии, существующим в р — /г-переходе электриче­ ским полем могут выноситься в «-область; в результате .«-слой получает дополнительный отрицательный заряд. Аналогично неравновесные дырки, попадая в р-слой, образуют в нем поло­

чением в обедненной области. Первоначальная контактная разность потенциалов снижается, во внешней цепи протекает ток от положительного электрода (p-область) к отрицательному. Соответствующая, схема включения детектора (см. рис. 4.1, а, штриховые линии вверху) в дальнейшем называется вентильной (фотовольтаической).

Характеристики ППД

Приведем основные соотношения для расчета характеристик ППД [17, 30, 49—51].

Большинство ППД, рассмотренных далее, имеют р—«-пере­ ход, основная часть чувствительного объема которого располо­ жена в полупроводнике с исходной проводимостью. Поэтому толщину обедненного слоя d0 приближенно рассчитывают по формулам ступенчатого асимметричного р-—«-перехода, и для детектора иа основе кремния она равна [17]:

Индексами « и р отмечены значения d0 у базы с «- или р-про- водимостью соответственно; U и UK— напряжения, в; р — удель­ ное сопротивление, ом-см. Величину UK принимают равной 0,5—0,7 в.

Емкость р—«-перехода (Сд) рассчитывают по формуле пло­ ского конденсатора, пластины которого расположены друг от друга на расстоянии d0:

ность электрического поля линейно увеличивается в сторону

68

В линейном переходе напряженность поля достигает макси­ мального значения в середине толщины обедненного слоя. Тол­ щина р—«-перехода пропорциональна U°’33 при LD$>UU.

Диффузионная составляющая тока / т при геометрии детекто­ ра, показанной на рис. 4.1, а, и напряжении смещения U>kT/e равна

где Пр и р п — концентрации электронов и дырок в р- и «-обла­ стях соответственно; Ьр и Ьп — коэффициенты, учитывающие влияние контактов и геометрии детектора для п- и /7-областей;

Хр и хп — времена жизни.

При скорости поверхностной рекомбинации на переднем кон­ такте sp и на заднем s„ коэффициенты Ьр и Ьп определяют по

«,; kn; kv и рр, а также значения подвижностей и собственной концентрации носителей, получаем [50]

Величина генерационного тока зависит от параметров цент­ ров рекомбинации в обедненной области. Если U>U1;, то для асимметричного кремниевого р—«-перехода при размерности

69

Генерационная компонента тока ППД с толстой обедненной об­ ластью *, работающих по диодной схеме, существенно превы­ шает диффузионную.

Поверхностная составляющая /п сильно зависит от техноло­ гии изготовления, свойств материала, окружающей среды и мо­ жет быть различна даже в однотипных образцах. Сложность поверхностных явлений [50] и их недостаточная изученность за­ трудняют расчет этой компоненты тока.

Формулы, описывающие фототок при возбуждении р—«-пе­ рехода светом [52; 53], могут быть применены и при возбуж­ дении ионизирующим излучением, несмотря на существующие различия в коэффициентах ослабления (рис. 4.2) (если прене­ бречь различием в параметрах неравновесных носителей, обра­ зованных в результате взаимодействия этих видов излучения с полупроводником).

В ППД с обедненной областью толщиной d0 (см. рис. 4.1),

ника в единицу времени под действием излучения, фототок ра­ вен

Pc — эффективность собирания носителей; g0— число пар носи­ телей, образующихся в поверхностном слое толщиной dx в

поле обедненного слоя d0 (4.53). Уточненный расчет эффектив­ ности т|с приведен в работах [54—56].

Если толщина обедненного слоя сравнима с диффузионной длиной в каждой из областей, рекомбинация неравновесных но­

• и da/Lp<l.

70