Файл: Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 21.10.2024
Просмотров: 80
Скачиваний: 0
компаунды типа КЛ-4 с добавкой MgO, то также создаются условия, при которых темновой ток не изменяется.
Изучая кинетику изменения темнового тока, можно сделать следующие выводы.
1.Первоначальные значения тока /т восстанавливают
через 16—20 ч после облучения. В р — і — /г-детекторах, так же как и в транзисторах и диодах, наблюдается [212] «эффект памяти» (ускоренный рост / т при повторных облучениях).
Р
Рис. 6.1. Изменения токов /,1н+ / т и / т р — і — л-детектора (0 — время выключения рентгеновского аппарата).
2. Скорость роста темнового тока (/'ті) на линейном участке зависимости /т от дозы D3 (см. рис. 6.1) при постоянной мощ ности дозы равна
/;, = ат1ІУ1’5, |
(6.1) |
где аті — коэффициент пропорциональности.
3.Время спада / ті до нуля практически не зависит от того, находится детектор под напряжением или нет.
4.Скорость увеличения тока /ц повышается с ростом мощ
ности экспозиционной дозы. Форма кривых / Т1 —f(t) при постоянной мощности экспозиционной дозы зависит от напря жения смещения U. В области (/< 5 0 в отчетливо проявляется 5-образность этой зависимости. Ход кривых спада /ті удовлет ворительно аппроксимируется гиперболическими зависимостями, что свидетельствует о нелинейном характере рекомбинации осевших на поверхности ионов.
5. Отношение между временами роста тока Іт\ до одного и того же значения на линейном участке его зависимости от дозы при нахождении детектора в азоте, кислороде и воздухе при нормальном давлении составляет 1,7:1, 2:1, т. е. /ті быстрее всего увеличивается в воздухе.
118
6. Скорость роста тока /ті при постоянной мощности экспо зиционной дозы не зависит от энергии квантов излучения.
Последнее свойство ценно с точки зрения использования рассмотренных изменений /ті в дозиметрии излучении. Однако для решения этого вопроса требуются дальнейшие исследова ния, так как скорость роста /ті зависит от мощности дозы и различна у однотипных детекторов.
Рис. 6.2. Изменения свойств поверхностно-барьерных ППД:
1—2 — предельны е изменения / к> 3 детекторов (образцы 1 и |
2); 3 — образец |
3, об |
|||||
лучение при пониж енном и нормальном давлении воздуха: |
4—7 — ф орма |
кривых |
|||||
тока / Кі з и нап ряж ен ия |
Ux х |
детектора |
1 в н ачале облучения |
(кривые |
4, 6) |
||
и |
при /=1800 м и н |
(кривые |
5, 7). |
|
|
|
|
При фотовольтаическом включении |
большие |
изменения 7 к.а |
|||||
наблюдаются у поверхностно-барьерных детекторов. |
|
||||||
На рис. 6.2 показано |
изменение тока /*. 3 |
при облучении |
|||||
детекторов AuSi-типа, изготовленных из кремния марки КЭМ, рентгеновским излучением (^эф= 10,5 кэв\ Рэ=7-104 р/мин). Изменяется не только среднее значение тока /к. 3) но и форма кривой зависимости /к. 3 и Дх.х от времени при возбуждении •пульсирующим излучением (рис. 6.2, кривые 4 —7). При боль ших дозах появляется отрицательный импульс тока в конце импульса излучения (рис. 6.2, кривая 5). Это обусловлено, по-видимому, образованием многочисленных уровней прилипа ния и превращением омического тыльного контакта в выпрям
ляющий. |
При пониженном |
давлении |
уменьшение |
тока /к.3 |
|
(рис. 6.2, кривая 5) |
происходит без существенных |
изменений |
|||
форм кривых /к. з = / |
(0 и UK.x= f (t). Это указывает на сущест |
||||
венную |
роль ионизированной |
внешней |
среды в |
изменениях |
|
свойств ППД этого типа. |
|
|
|
||
Ш
Характер изменения других характеристик исследованных детекторов такой же, как и у аналогичных детекторов [214— 216], а именно: емкость увеличивается, фоточувствительность смещается в длинноволновую часть спектра, прямая ветвь вольт-амперной характеристики спрямляется. Изменения трех перечисленных характеристик авторы [214—216] объясняют радиационно-стимулированной диффузией, хотя не исключены
идругие механизмы [217].
Внастоящее время отсутствует физическая модель, доста точно полно описывающая все явления, происходящие в поверх ностно-барьерных П'ПД при облучении. Однако известно [212], что в приборах такого типа под действием излучения изменя ется концентрация поверхносршх состояний. Приведенный на рис. 6.2 сложный характер изменений /к.3 позволяет предполо жить, что одновременно протекают несколько процессов, доми нирующий из которых определяет характер изменения тока / к.3. Например, из сопоставления приведенных данных следует, что
«быстрое» увеличение /к-3 в |
начале облучения происходит в |
результате действия внешней |
ионизированной среды на р — п- |
переход. |
включении р — і — /г-детекторов |
При фотовольтаическом |
радиационные изменения Іѵ.3 наблюдаются только при мощ ности экспозиционной дозы свыше ІО4 р/мии (рис. 6.3). Перво начальные значения /к.3 восстанавливаются через 5—6 ч после
прекращения облучения. Эти |
изменения |
тока / к. 3 также |
обусловлены действием ионизированного воздуха. |
||
Из других типов детекторов, |
изменяющих |
свойства под воз |
действием рентгеновского излучения, необходимо отметить однородные детекторы на основе CdS. Доза, соответствующая 10%-ному изменению чувствительности различных типов таких детекторов, колеблется от Ю6 до ІО8 рад. Характер изменений фототока зависит от технологии изготовления детекторов.
Сравнение действия рентгеновского излучения, электронов с энергией до 100 кэв и уизлучения 60Со показывает, что при одинаковых поглощенных дозах происходят приблизительно равноценные изменения свойств [218, 219].
Чувствительность детекторов, изготовленных по диффузион ной технологии, практически не изменяется под действием рент геновского излучения с энергией, меньшей порога дефектообразования. Например, ток короткого замыкания ФЭП на основе Si и GaAs остается стабильным при облучении в экспозицион ных дозах порядка ІО9 р.
у-Излучение и излучение высоких энергий
Энергия терапевтических источников коротковолнового из лучения (60Со, бетатроны) существенно превышает пороговую энергию (см. табл. 6.1), а мощность дозы излучения этих
ІйО
•источников относительно невелика (не больше 500 р/мин). Поэтому основные изменения свойств ППД происходят в ре зультате образования радиационных дефектов при «ударном» смещении атомов быстрыми электронами [26, 220—229]. У ППД с р — «-переходом [223—225] происходят следующие изменения:
1)уменьшается напряжение холостого хода Ux_х и ток короткого замыкания /к.3;
2)с ростом дозы облучения темновой обратный ток /т и шум увеличиваются, темновое сопротивление Ro уменьшается;
3)отношение d0/Ln (где d0— ширина перехода, Ьа — длина
диффузии неосновных носителей) увеличивается (соответствен но изменяется и вольт-амперная характеристика);
4) емкость р — «-перехода в большинстве случаев |
умень |
шается; |
|
5) уменьшается чувствительный объем. |
р — «- |
Эти изменения электрофизических характеристик |
перехода достаточно четко проявляются у детекторов, изготов ленных по диффузионной технологии.
Перечисленные изменения характеристик обусловлены в основном уменьшением времени жизни неосновных носителей и изменениями удельного сопротивления. Первый из этих процес
сов, как правило, доминирующий. |
|
|
начальным |
||||
|
Связь |
тока / к. з после облучения дозой D с его |
|||||
значением |
/к.3. о описывается уравнением |
|
|
|
|||
|
|
ІѴЛ = |
/^3.0 + |
a fD, |
|
|
(6.2) |
где |
а.і — коэффициент повреждения |
по току, |
прямо |
пропорцио |
|||
нальный коэффициенту атв формуле (2.47). |
|
|
|
||||
|
Непосредственно из формулы (6.2) следует: |
|
|
||||
|
|
6£= l _ ( l + / L . o a £D )-0-5, |
|
(6.3) |
|||
где |
6і = (А,-, з. о — /к. з)/ / к . з. о — относительное изменение тока. |
||||||
|
Согласно (6.2) и (6.3), |
радиационная |
стойкость |
высоко |
|||
чувствительных детекторов |
меньше |
по сравнению |
с |
низкочув |
|||
ствительными из-за больших начальных значений / к.3. о- Это различие несколько уменьшается благодаря уменьшению коэф фициента а* при увеличении чистоты полупроводников, исполь зуемых для изготовления высокочувствительных детекторов. При рассмотрении экспериментальных результатов необходимо учитывать также влияние схемы включения ППД и характера измеряемого сигнала. Изменение числа импульсов обусловлено
в основном |
изменениями |
толщины |
обедненной области, а тока |
/ к.з— изменениями диффузионных |
длин неосновных носителей. |
||
Влияние |
у-излучения |
60Со на поверхностно-барьерные детек |
|
торы исследовано в работах [226—229]. Детекторы AtiSi-типа на основе кремния «-типа с исходным удельным сопротивле
121
нием р,г 6 и 13 ком ■см, временем жизни носителей тп = 2 ■10-3 сек облучались дозой до 10й р с периодами облучения по 4 н с мощностью дозы 800 р/мин и перерывами между сеансами облучения 20 ч [138].
В начале облучения токи и напряжения частично измени лись, а затем после перерывов восстанавливались. При дозе свыше 8 -105 р в ППД на основе кремния с большим сопротив лением наступало быстрое уменьшение /к.3 и Нх.х и детекторстановился практически непригодным для работы в вентильном режиме. В диодном режиме включения детектор становится непригоден уже после облучения дозой 5 -ІО5 р из-за значи тельного увеличения обратного тока и его флуктуаций. Анало гичными, но несколько меньшими по величине были изменения всех перечисленных параметров у детекторов с сопротивлением: базы р„ = 6 ком-см. В работе [227] определена энергетическая зависимость дефектообразования у поверхностно-барьерных ППД. Облучение производили электронами с энергиями 200; 400; 600 и 1000 кэв. Количество образованных дефектов (в отно
сительных единицах) при |
этих энергиях и равных |
дозах соот |
|
ветственно равно 0; 1; 3; |
16. При |
энергиях электронов 200 кэв- |
|
v. потоках до ІО16 электрон/см2 не |
зарегистрировано |
изменение |
|
параметров (емкости, обратного тока и скорости счета а-час- |
|||
тиц). Емкость детекторов |
сначала |
несколько уменьшилась, а |
|
при дальнейшем облучении увеличивалась. К моменту полной
деградации |
детектора |
облучением |
порядка ІО14 электронам2 |
|||||||
(при |
Ее= 1 Мэв), |
емкость |
была |
в |
1,5 раза |
больше начальной. |
||||
Такая |
зависимость |
емкости |
от облучения |
объясняется [223] |
||||||
следующей |
очередностью образования |
устойчивых |
дефектов: |
|||||||
в начале |
облучения — дефекты |
с |
с |
отрицательным |
зарядом |
|||||
{А- и £-центры), |
далее — дефекты |
положительным |
зарядом |
|||||||
(дивакансии £(, + 0,25 |
эв). |
Появление |
в обедненной |
области |
||||||
отрицательного заряда сопровождается падением емкости, по ложительного — ее ростом.
В очень тонких детекторах (несколько десятков микрон) радиационная стойкость падает при уменьшении толщины [114]. Ухудшаются и временные характеристики. В частности, наблюдалось «затягивание» импульсов от а-частиц [226] до нескольких микросекунд по сравнению с 9 нсек до облучения. Приведенные данные показывают, что уже при дозе 104 рад от у-излучения 60Со в поверхностно-барьерных детекторах насту пают регистрируемые изменения параметров.
Низкая радиационная стойкость характерна и для кремние вых р — і — я-детекторов [229—231]. Это не противоречит рас смотренному ранее факту повышения радиационной стойкости «залечиванием» дефектов при осаждении на них атомов лития.
На рис. 6.3 приведены кривые изменения /,<.3 при облучении у-квантами 60Со р — і — я-детекторов. Следует отметить незна чительный рост /„.з (в пределах 3—5%), который наблюдается
122