Файл: Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений..pdf

рительные результаты получают при использовании эвтектики

ZnGa [103].

Прямая ветвь в. а. х. поверхностно-барьерных детекторов (см. рис. 4.5, а) удовлетворительно описывается уравнением (4.21) при напряжении U<L0,2 в. Аномально большие сопротив­ ления Ro и низкие токи утечки свидетельствуют о превращении тыльного контакта в выпрямляющий (см. рис. 4.5, о, кривая 6). Детекторы с такой прямой ветвыо в. а. х. обычно непригодны для работы в вентильном режиме.

Обратный ток поверхностно-барьерных детекторов обычно в несколько раз превышает рассчитанный по формулам (4.11), (4.12) из-за токов утечки. Объемная составляющая тока утечки коррелирует с плотностью дислокаций и, по-видимому, обуслов­ лена возникновением микроплазм [108]. Уточненный расчет

рального электрода, являющегося измерительным, наносят за­ щитное кольцо, на которое напряжение смещения подается че­

[111—ИЗ], выдерживающие обратное напряжение до 2000— 4000 в (d0 = 2—4 мм). Однако детекторы с таким толстым обед­ ненным слоем изготавливают сравнительно с малой площадью- (0,5—1 см2) из-за неоднородности исходного кремния с боль­ шим сопротивлением. В обычных поверхностно-барьерных ППД поглощением фотонного излучения при £ .> 1 0 кэв в золоте- (толщина 50—100 мг/см2) можно пренебречь, так как оно не

генерационно-рекомбинационной и диффузионной составляющи­ ми тока. Дополнительным источником шумов являются контак­ ты. Избыточный шум Еши обратно пропорционален частоте и коррелирует с током утечки, который зависит от количества ди­ слокаций. Энергия Диш~70 кэв/мка [108].

Из специальных типов поверхностно-барьерных детекторов в дозиметрии используются тонкие (до 20—50 мкм) детекторы [114] и фоточувствительные ППД, работающие в сочетании со сцинтилляторами (см .гл .5).

Поверхностно-барьерные детекторы на основе кремния, ком­ пенсированного литием, близки по своим свойствам к р—і—п- детекторам.

Поверхностно-барьерные ППД по сравнению с другими типа­ ми детекторов относительно просты в изготовлении, им легко придать нужную форму. Ширину чувствительной области можно изменять за счет напряжения U. К числу недостатков следует отнести нестабильность в работе и повышенный шум на кон­ тактах.

83-

§4.4. ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕТЕКТОРОВ

Ср — «-ПЕРЕХОДОМ

Измерение сигналов

альной схеме. Кроме стандартных методов измерения указан­ ных величин используется метод преобразования импульсов тока ППД в последовательность прямоугольных импульсов, дли­ тельность которых пропорциональна амплитуде [ 1J5, 116]. При нулевом пороге дискриминации среднее значение тока на вы­ ходе схемы с амплитудно-временным преобразованием про­ порционально току детектора. Преимущество этой схемы — сни­ жение порога чувствительности на один, два порядка по срав­ нению со стандартными схемами [117, 118].

При вентильном включении ППД ток (напряжение) на на­ грузочном резисторе RH измеряется одним из стандартных ме­ тодов или используется компенсационная схема [119].

Как будет показано в дальнейшем, для обеспечения линей­ ной зависимости между мощностью дозы Р и током /„ необхо­ димо, чтобы напряжение U на р—«-переходе не превышало 5— 10 мв. В компенсационной схеме ток /к определяется при U-С <С5 мв. Поэтому компенсационная схема имеет преимущества при измерении большой мощности дозы.

Входное окно и чувствительный объем

Непосредственно за мертвым слоем толщиной dM(см. рис. 4.1) расположен слой полупроводника, в котором неравновесные но­ сители рекомбинируют [ПО] до их разделения на р—/г-перехо­ де (dM1 на рис. 4.1). Эти слои образуют входное окно ППД с эф­ фективной толщиной ^м.эф= ^м-г ^мь поглощение излучения в котором уменьшает дозовую чувствительность. Практически ■dM.эф максимальна у р—і—«-детекторов, где она может дости­ гать 0,2 мм (0,5—5 мкм у ППД других типов). Поэтому нали­ чие входного окна необходимо учитывать только при Еу < <15 кэв. Отметим, что толщина efM.эф уменьшается с ростом напряжения смещения U из-за увеличения d0 в соответствии с уравнениями (4.3) и (4.4). Эффективную толщину мертвого слоя dM.эф определяют по зависимости амплитуды импульсов от ори­

либо электронами различной энергии [129].

Чувствительный объем состоит из областей ППД, образова­ ние неравновесных носителей в которых приводит к появлению

84

фототока /ф. Величина чувствительного объема может быть оп­ ределена расчетно (по известным значениям L„, LP и d0) или экспериментально скеннированием ППД «узким» пучком излу­ чения [123—125J. Данные о толщине чувствительного слоя можно получить и из зависимости параметров детекторов от напряжения смещения [126, 127].

Чувствительный объем зависит от площади входного окна,

Эффективная толщина чувствительного слоя зависит от геомет­ рии ППД, скорости поверхностной рекомбинации и коэффициен­ та щ. Она равна толщине чувствительного слоя ППД с полным собиранием носителей при других параметрах, таких же как у рассматриваемого ППД.

Если ап = 1; ар—1 и /ігД.<СІ, эффективная толщина L r равна

зависит от схемы включения ППД. Максимальная дозовая чув­ ствительность не зависит от схемы включения ППД и дости­

пользовать в качестве критерия при оценке чувствительности ППД к ионизирующему излучению.

При облучении ППД пучком, направленным перпендикуляр­ но к р—/і-переходу (см. рис. 4.1), фототок /ф, согласно (4.15) — (4.17), с учетом (3.21) пропорционален мощности дозы Р толь­ ко тогда, когда Lr не зависит от энергии квантов излучения Еу.

При вентильном включении ППД толщина d0 меньше или сравнима с диффузионными длинами Еи, обычно не превышаю­ щими у кремниевых ППД 0,5 мм, т. е. условие pzLH<cl выпол­

где /im — линейный коэффициент поглощения.

85

Для кремниевых ППД 5 — площадь, см2; Рэ— мощность дозы, р]сек\ Iф — ток, мка при со = 3,5 эв; множитель е87/со = 2,48.

Фототок детекторов с асимметричным р—я-переходом, тол­ стой базой (для определенности р-типа см. рис. 4.1) при незна­ чительном поглощении в переднем и обедненном слоях (это условие обычно выполняется при Еѵ >15 кэв) и при отсутствии

При приближенном учете рекомбинации на поверхностном контакте расчетное значение сіп в (4.37) принимается несколько

Рис. 4.6. Зависимость тока короткого замыкания / к. 3 от толщины алюминиевого фильтра при различной энергии.

меньше глубины расположения р—я-перехода (0,5—-0,8 см. рис. 4.1).

Для большинства кремниевых ППД с Д.<1 мм значение /ф, определенное по приближенной формуле (4.37) при Еу >15 кэ& будет отличаться не более чем на 5% по сравнению с рассчи­ танным по уравнению (4.36).

Необходимо отметить, что значения /ф, рассчитанные по уравнению (4.37), могут существенно отличаться от экспери­ ментально измеренных. Это обусловлено погрешностями в опре­ делении чувствительного объема детектора. Отклонение расчета от эксперимента возникает также при отсутствии электронного равновесия. На рис. 4.6 приведена зависимость тока /к.3 от тол­ щины алюминиевого фильтра йф, помещенного непосредственно на чувствительной поверхности диффузионного детектора (Lr^300 мкм). Рост /к.з с увеличением толщины йф [вместо егоэкспоненциального падения, согласно (4.36)] происходит в ре­ зультате поглощения в чувствительном объеме ППД электронов и рассеянного излучения, возникающих в фильтре. Увеличение-

зтем больше, чем выше энергия падающего излучения. При

Е=1,25 Мэв ток / к. з достигает максимума, возрастая в 2,3 раза;

86

при dt])~2 мм. Методика расчета Іф при отсутствии электронного равновесия приведена в работе [128].

Увеличение /ф за счет поглощения в ППД характеристиче­ ского излучения от близко расположенного фильтра не превы­ шает обычно 10—30%. Для кремниевых ППД такое увеличе­ ние /ф имеет место при 30 кэв<Еѵ <115 кэв и фильтрах на ос­

диффузией. Для определения фототока при равномерном рас­ пределении неравновесных носителей по объему р—і—л-детек-

Расчетное значение Іфі, по (4.38) [9] приблизительно вдвое

.меньше Іфі, согласно (4.39), если d,-/Li~0,1; при больших зна­ чениях di/Li это отличие уменьшается и при 1 расчет­ ные значения токов по обеим формулам практически совпадают. Если при вычислении Іфі учесть ослабление в /-слое и использо-

.вать модель, предложенную в работе [93], то вместо уравне­ ния (4.39) получаем:

Диффузионные составляющие токов в р—/—/г-детекторах ■определяют по уравнению (4.36) или (4.37) без учета состав­ ляющей тока /ф от обедненного слоя do.

Необходимо также отметить следующую особенность JP—/—и-детекторов. Из формул (4.23), (4.40) следует, что изме­ нение коэффициента поглощения излучения должно приводить только к изменениям Іфі. При фотовольтаическом включении детектора связь между /ф и напряжением холостого хода одно­ значна и не зависит от величины цг. Экспериментально это под­ тверждается для всех рассмотренных ППД, за исключением р—/—/г-детекторов. В частности, при облучении этих детекто-

87