Файл: Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 21.10.2024
Просмотров: 86
Скачиваний: 0
жения и находится (в зависимости от типа детектора, проводи мости его базы и места поглощения у-кванта) в пределах
І.6р < 7\р < 4,8р |
(4.55) |
(р — в ком-см и Гдр — в нсек).
Таким образом, для уменьшения 7"Др необходимо выбирать материалы с низким р. Нижнее значение р ограничено ростом емкости детектора Сд, препятствующей быстрому нарастанию импульса на выходе детектора. Для снижения Сд быстродейст вующие ППД изготавливают сравнительно небольшой площади. Снижение ГДР может быть достигнуто и уменьшением толщины детектора до размеров, при которых обедненный слой занимает основной объем (средняя напряженность поля возрастает).
При охлаждении ППД до температуры жидкого азота в ре зультате увеличения подвижности Гдр снижается в несколько десятков раз (см. гл. 2).
Время диффузии носителей заряда от места образования к р—я-переходу определяется градиентами концентрации неос новных носителей в каждой из областей и коэффициентами их диффузии [22, 148].
Время нарастания и спада импульса тока на нагрузочном
резисторе |
Ru |
определяется |
(см. рис. 4.4, а) |
постоянной |
вре |
мени р—я-перехода (т = Сд/?0), его базового |
слоя (T5 = C5Rg), |
||||
величиной |
последовательного |
сопротивления |
контактов |
(Ru) |
|
и постоянной |
времени измерительной цепи тн= ДііСп (С„ — это |
||||
суммарная емкость цепей монтажа и измерительного прибора, Ят, — их сопротивление).
Постоянная времени тс = СѴ,Яб не зависит от толщины базо вого слоя, так как с ее увеличением Сг, уменьшается, а Яо воз растает. Суммарная постоянная времени т0 определяется по эквивалентной схеме (см,- рис. 4.4), согласно которой увеличе
ние тг, и RK способствует «затягиванию» фронта |
импульса. |
Постоянная времени тс при RK— 0 равна |
(4-“> |
*'= Ч с»+т^т)- |
При включении ППД по диодной схеме и измерении на вы ходе числа импульсов отклонение считываемых импульсов от истинных определяется временем Гдр. Если на выходе изме ряется ток, отличие мгновенных значений тока от индуцирован ного числа неравновесных носителей определяется временами
Тдпф И Тс-
При включении по вентильной схеме постоянная времени определяется тс и тДПф.
Величина тока на выходе ППД определяется [37] из реше ния уравнения (4.23), которое для нестационарного режима
имеет вид |
|
Іф й -Л е х р ( Д С - і) = - Д + С , |
(4.57, |
98
где іф(і) — зависимость |
фототока |
от |
времени; |
Сэ —экви |
|||||||
валентная |
емкость |
на |
выходе |
детектора, |
обычно |
С ,» Сд> |
|||||
Я, (RHЧ~ |
~Ь Rk) |
■эквивалентное сопротивление |
на |
выходе |
|||||||
Ro + Rn ~г Re Н- RK |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
детектора. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
В |
соответствии с |
уравнением |
(4.57) |
при |
линейной |
зависи |
|||||
мости |
между током |
и |
мощностью |
дозы |
(U<^kT/е) |
и |
начале |
||||
отсчета времени t от момента прекращения действия излучения напряжение на нагрузке R„ равно
u(t) = и(^\ |
Ь |
Г М |
“ І ) + |
||
|
|
||||
+ |
■ т днф |
Н |
|
(4.58) |
|
|
Т'Дііф |
Тэ |
т днф |
/ |
|
где U — установившееся |
значение напряжения |
на нагрузке; |
|||
U(t) — мгновенное значение напряжения; |
та =ЯЭС3— суммарная |
||||
постоянная времени |
ППД |
и измерительной цепи. |
|||
При работе в вентильном режиме поверхностно-барьерных |
|||||
и р—і—п-детекторов |
характер |
изменения U[t) |
определяется |
||
Тднф, которое приближенно равно времени жизни неравновесных носителей (ICH—ІО-3 сек). У ФЭП тэ> тД11ф, тэ~ЯцСд. Сущест венную роль играют и уровни прилипания, захватывающие на ІО-3—ІО-4 сек до 20% носителей.
С помощью известных типов ППД без существенных ампли тудно-фазовых искажений удается регистрировать мгновенные значения мощности дозы у импульсных источников излучений с длительностью фронта нарастания импульса излучения по рядка ІО-9 сек. Скорость счета достигает ІО-7—ІО-8 имп/сек. Техника таких измерений и свойства используемых ППД по дробно рассмотрены в-работах [149, 153].
В заключение отметим возможность уменьшения постоян ной времени на выходе детектора введением корректирующей ДС-цепи [154], отрицательного сопротивления [155] и встреч ного включения детекторов [156].
§ 4.5. ДЕТЕКТОРЫ С УСИЛЕНИЕМ
Развитие полупроводниковой техники в последнее десяти летие позволило создать специально предназначенные для ра боты в режиме усиления ППД двух типов: с пропорциональным усилением [157] и детекторы, работающие в режиме пробоя р—л-перехода [158]. Первый ППД молено считать аналогом газового пропорционального счетчика, второй — счетчика Гей гера—Мюллера. Принцип работы обоих типов ППД основан на умножении числа неравновесных носителей в результате ударной ионизации. По сравнению с другими типами ППД ос новное преимущество пропорциональных детекторов заклю
4* 99
чается в возможности их использования для дозиметрии излуче ния слабых интенсивностей, начиная с энергии квантов, от 1—2 кэв. Малые размеры этих детекторов позволяют исполь зовать их для измерений in vivo.
Ударное умножение носителей заряда в р — «-переходе
Пусть в слой толщиной dY поступает |
электронов, На рас |
стоянии Хі эти электроны образуют |
пару электрон—дырка, |
которые также движутся в сильном электрическом поле. Если дырки на длине dy не получают энергию, достаточную для обра зования пары электрон—дырка (точнее, их коэффициент умно жения меньше 1), то умножение числа носителей осуществ
ляется только |
электронами. Этот механизм умножения лежит |
в основе работы ППД с пропорциональным усилением. |
|
Если дырки получают энергию, достаточную для ударного- |
|
образования |
пар на длине dY, а коэффициент умножения |
электронов также больше 1, то ток через р—«-переход лавинно, нарастает и наступает так называемый лавинный пробой. Ток пробоя достигает постоянной величины из-за образования
объемных |
зарядов и др. [158J. Длительность |
протекания тока |
в режиме |
пробоя ППД также ограничена. |
Это обусловлено |
флуктуацией коэффициента умножения носителей заряда, число которых (Ne) при токе /а равно
е |
(4.59) |
|
е |
где Гдр — время пролета (дрейфа) носителей заряда через слой толщиной dy.
Очевидно, чем тоньше слой умножения, тем меньшее число носителей заряда одновременно находится в нем. Из-за флук туации коэффициентов умножения в определенный момент вре мени коэффициент усиления падает, становится меньше 1, лавина прекращается. Вероятность этого события достаточно мала, поэтому длительность импульса тока пробоя обычно в ІО5—ІО6 раз превышает время пролета слоя, в котором проис ходит умножение носителей.
Зависимость коэффициента |
умножения М от напряжения |
на р—/г-переходе описывается |
эмпирической формулой [159J |
М = |
(4.60) |
где и п— напряжение пробоя; Up- n= U—Іа(Яц+Яп)— напряже ние на р—/z-переходе в момент пробоя; /а — ток ППД в момент пробоя; RR — последовательное сопротивление детектора; т —
показатель степени, равный 3,4—4 для кремния «-типа и 1,5—2
для кремния р-типа. |
вольт-амперная |
С учетом коэффициента М по формуле (4.60) |
|
характеристика опишется уравнением |
|
W 7o = 1/П - (Up-n/UJ]”, |
(4.61> |
/0 — ток детектора при напряжении, меньшем напряжения лавинообразования.
Максимальное усиление в ППД на основе кремния дости гает ІО4—ІО6, однако отношение сигнала ,<шуму при'этом ниже,, чем при меньшем усилении [160].
Для детекторов пропорционального типа . чувствительный объем может быть в сотни раз больше, чем у ППД, предназна ченных для работы в пробойном режиме, у которых сигнал на выходе не зависит от первоначального числа носителей заряда. Поэтому технология изготовления и характеристики ППД двух указанных типов различны.
Пропорциональный ППД с р — /г-переходом
Схема детектора [161—164] показана на рис. 4.11, а. В ка честве исходного материала использован сравнительно низко омный (30—50 ом-см) кремний «-типа, р—«-переход создан диффузией галлия на глубину 50—100 мкм [162]. Эксперимен тально установлено, что только при таких глубоко расположен ных р—«-переходах удается обеспечить стабильную работу детектора без микропробоев и больших токов утечки.
Усиление происходит размножением неравновесных электронрв, образованных в; p-слое и в следующем за ним слое, тол щина которого не превышает 150 мкм. Поэтому коэффициент усиления зависит от места поглощения кванта. Он достигает ІО3 для излучения поглощаемого в переднем слое и равен 20—50 при равномерном поглощении по всей толще детектора.
Толщина мертвого слоя не превышает 2% глубины распо ложения р—«-перехода [163].
Рассмотренные типы детекторов имеют диаметр около 4—- 8 мм, толщина для различных конструктивных вариантов изме няется от 0,3 до 1,5 мм.
В дозиметрических приборах детектор используют при изме рении числа импульсов [161], так как при этом измерительная схема упрощается, особенно при использовании ППД в сочета нии с туннельным диодом [164].
Чувствительность ориентировочно определяется по фор муле (2.14) числом импульсов в секунду на единицу мощности дозы и по расчетным данным соответствует поглощению в нем около 3,4 квант/мкр при энергии квантов излучения Еу s» 1 Мэе. Экспериментально измеренное значение составляет 0,5—"
101