Файл: Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 21.10.2024
Просмотров: 76
Скачиваний: 0
при малых мощностях доз и дозе Оэ< 5 -103 р. При облучении у-квантами 60Со в дозе 2 -ІО5 р ток /к.з уменьшился на 23%. После двухмесячного хранения /к.3 восстановился до 85+3% исходного значения.
Увеличение емкости в р — і — «-детекторах тем больше, чем меньше напряжение смещения U и тоньше исходный обедненный
О |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
t}MUH |
||
Рис. 6.3. |
Изменение |
тока |
/ к . з |
р — ( — к-детектора |
при |
|
облучении: |
||
/ — рентгеновское излучение Яэ »50 000 |
р / м и н , |
£ Эф = Ю |
к э в , |
(/2м **40 |
к в > перерывы |
||||
о м и н ; 2, |
3 — ѵ -нзлученне 60Со |
при Р |
э =50 р / л ш н и Р э = )5 0 |
р і м и н , |
t — время об |
||||
|
|
|
лучения. |
|
|
|
|
|
|
слой. Например, при дозе ІО5 рад емкость |
увеличивается вдвое, |
||||||||
если U= 2 в, и всего на |
10% |
при |
£/=100 |
в. Время |
|
нарастания |
|||
импульса от а-частицы в детекторе составляло 0,04 мксек до
облучения, а |
после облучения в дозе |
105 р — 1 мксек |
[231]. |
||
Эффективность собирания г|с в процессе облучения также |
|||||
уменьшается, однако, чем |
выше напряжение U, |
тем |
меньше |
||
падает т]с. |
|
|
|
частичного |
|
Приведенные данные показывают возможность |
|||||
восстановления |
свойств |
облученных |
р — і — «-детекторов и |
||
уменьшения наблюдаемых изменений при облучении в диодном режиме с включенным обратным напряжением U.
В работе [230] рассмотрена модель взаимодействия ионов лития с Л-центрами при учете дрейфа лития в электрическом поле. Как следует из этой модели (и подтверждено эксперимен тально [231]), хранение р — і — «-детекторов, облученных дозой менее 2 -ІО5 р с включенным напряжением смещения, приводит к восстановлению их свойств.
Из приведенных данных следует необходимость тщательного учета возможных радиационных повреждений р — і — «-детек торов для каждого случая применения в дозиметрии, так как
•123
доза, соответствующая регистрируемым изменениям их чувстви тельности, при облучении у-квантами еоСо составляет всего 104р~ Предельно допустимая доза облучения не превышает, как правило 10е р.
Данные об изменении чувствительности диодов, используе мых в дозиметрии, разноречивы [232, 233].
Регистрируемому уменьшению /к.3 соответствует доза поряд ка 0,1— 1 Мрад.
Рис. 6.4. |
Уменьшение |
/к. а |
при |
облучении |
у'квантамн 60Со: |
|||
3—- ФЭП |
на основе G aA s; |
2, 4 — ФЭП |
на |
основе Si |
р-ткпа; 3 — комби |
|||
|
нированны й детектор; |
5 — ФЭП |
на основе |
Si л-тппа. |
|
|||
Изучению радиационной стойкости ФЭП и фотоэлементов; |
||||||||
посвящена обширная литература |
[234—241], |
анализ |
данных |
|||||
приведен в работе [72]. Уже в ранних работах |
[7, 69] |
установ |
||||||
лено удовлетворительное соответствие между формулой (6.2) іг экспериментально полученной зависимостью / к.з от дозы. Тогда же обнаружена повышенная радиационная стойкость Si-детек торов с р-базой по сравнению с детекторами на основа материа ла я-типа проводимости (рис. 6.4).
Приведенные на рис. 6.4 данные совпадают по порядку вели чины с полученными в работах [234—241]. Различие в радиа ционной стойкости объясняется влиянием свойств исходных материалов и технологией изготовления. Для ФЭП, так же как и для диодов, характерно восстановление тока /к.з в перерывах при фракционированном облучении, особенно в области доз ме
нее 1 Мрад |
(кривая 4, рис. 6.4). |
спектральной |
чувстви |
|
Следует |
также отметить изменение |
|||
тельности, увеличение |
температурной |
зависимости |
/ K.a= f (Т)г |
|
уменьшение |
темнового |
сопротивления |
[242]. Основным факто |
|
124
ром, определяющим изменение фоточузстзительности ФЭП, является уменьшение времени жизни неосновных носителей. Смещение максимума спектральной чувствительности в корот коволновую область обусловлено тем, что коэффициент погло щения светового излучения быстро уменьшается с ростом длины волны (см. рис. 4.2), и поэтому основная доля длинноволновогоизлучения поглощается в области базы [242], а скорость объем ной рекомбинации в базе увеличивается быстрее, чем в перед нем контакте (где эта скорость из-за технологических осо бенностей изготовления ФЭП имеет высокое начальное зна чение) .
Радиационная стойкость ФЭП зависит от основных электро физических факторов, так же как и ранее рассмотренный коэф фициент а%, так как она определяется изменением диффузион ной длины Lu. Например, при облучении ФЭП электронами с энергией 4 Мэв уменьшение / к.3 на 25% у образцов, изготовлен ных на основе кремния, выращенных по методу Чохральского, происходило при потоке ІО14 электрон/см2 [240]. Такое же уменьшение /к. 3 происходит у образцов на основе кремния» выращенного зонной плавкой в атмосфере водорода при потоке, в три раза большем. Повышенная радиационная стойкость в- последнем случае объясняется меньшим (около 100 раз) содер жанием кислорода в кремнии зонной плавки. Однако в таком кремнии имеется большое число дислокаций. Поэтому исходные параметры ФЭП несколько хуже параметров ФЭП, изготовлен ных из кремния, выращенного по методу Чохральского.
С повышением удельного сопротивления базы радиационная стойкость ФЭП увеличивается. Зависимость коэффициента повреждения по току а* от удельного сопротивления базы мо
жет быть описана степенной функцией с |
показателем степени |
||
пг= —0,4 [72]. Повышение |
радиационной |
стойкости |
за счет |
использования высокоомных |
материалов |
ограничено |
падением |
£/х.х. Оптимальное значение р, в свою очередь, зависит от типа легирующих примесей, так как последние влияют на скорость образования центров рекомбинации. Оптимальная концентрация бора [238], которая соответствует максимуму отдаваемой мощ ности при преобразовании светового излучения, будет при удельном сопротивлении, равном 10 ом-см. Легирование литием позволило существенно повысить радиационную стойкость ФЭП
сд-базой [243, 244].
УФЭП на основе GaAs возможно меньшее изменение пара метров по сравнению с кремниевыми, в связи со значительно большим порогом дефектообразования и существенно меньши
ми временами жизни неравновесных носителей в исходном материале.
Экспериментальные данные подтверждают эти положения, несмотря на существенное количественное различие между рас четом и экспериментом [245—248].
125
При облучении электронами с энергией 0,8 Мэв уменьшение максимальной мощности, отдаваемой при преобразовании све товой энергии в электрическую, происходит у ФЭП на основе GaAs и кремния p-типа, приблизительно при одинаковых пото ках (ІО15 электрон)см2) . Тот же эффект у ФЭП на основе крем ния п-типа проводимости наблюдается при потоке, в 30 раз меньшем.
Сравнительная оценка изменений тока /к.3 ФЭП на основе CaAs с базой п-типа и Si с базой p-типа (рр~2 ом-см) [249] показала, что начальная скорость уменьшения /1;.3 у ФЭП на основе GaAs составляла 1%/Мрад по сравнению с 3% У крем ниевых ФЭП. После облучения в дозе 50 Мрад скорость дегра дации уменьшилась соответственно до 0,1 и 0,4°/0/Мрад (см. рис. 6.4, кривые 1 и 2). В дозиметре ДБМ датчик-свидетель из ФЭП на основе GaAs облучается за год эксплуатации дозой порядка 20 Мрад при энергии 25 Мэз. При этом чувствитель
ность уменьшается в год не более чем на |
3%. |
Совокупность |
||
приведенных |
данных позволяет |
сделать |
вывод |
о большей |
(в 3—4 раза) |
радиационной стойкости ФЭП на основе GaAs по |
|||
сравнению с |
кремниевыми при |
воздействии |
у-излучення 60Со. |
|
С уменьшением энергии излучения это преимущество возрас
тает.
В настоящее время отсутствуют подробные данные о радиа ционной стойкости детекторов с пропорциональным и лавинным усилением. Поскольку для этих детекторов применяются низко омные материалы с малыми временами жизни неравновесных носителей, радиационная стойкость детекторов должна быть не хуже, чем у ФЭП на основе кремния [158].
В заключение отметим, что радиационная стойкость комби нированных детекторов определяется уменьшением светового выхода сцинтиллятора, происходящего в 3—4 раза быстрее по сравнению с падением тока /к.з в кремниевых ФЭП (см. рис. 6.3, кривая 3).
§ 6.2. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Температурный интервал работы ППД
Большинство дозиметрических измерений проводят в закры том помещении при температура'х от 10 до 35° С. Только в от дельных случаях возникает необходимость дозиметрии в поле вых условиях, т. е. когда нижний предел температуры может быть —40°С. Температура до +80°С не исключена при исполь зовании ППД в дозиметрах-свидетелях и других приборах регистрации излучения с радиационным датчиком, расположен ным вблизи нагревающихся узлов источников излучения (рент геновских трубок, обмоток бетатрона и др.)
Экспериментальные данные по температурной зависимости чувствительности ППД
При изменении температуры изменяются все основные па раметры полупроводниковых материалов, определяющих чув ствительность ППД, а именно: концентрация носителей /гн; время жизни неравновесных носителей т; подвижность к и коэф фициент диффузии £>; средняя энергия со, затрачиваемая на образование одной пары неравновесных носителей; ширина запрещенной зоны Eg. Зависимость этих параметров от темпе ратуры рассмотрена в гл. 2, откуда следует, что в первую очередь необходимо учитывать температурные изменения к, пя, т. Какой из этих параметров является основным, зависит от типа детектора, схемы его включения и вида измеряемого сигнала.
В однородных детекторах температурные изменения тока определяются в основном изменениями коэффициента зарядо вого усиления с температурой. Поскольку этот коэффициент пропорционален времени жизни носителей одного знака, то именно изменения времени т и определяют температурную зависимость тока однородного детектора.
В CdS детекторах [250, 251] минимальное значение фото тока /ф приходится на область температур от —40 до —80° С. Максимум дозовой чувствительности находится в области 50— 100° С, следовательно, в практически используемом интервале температур (от 10 до 35° С) дозовая чувствительность увеличи вается. Температурный коэффициент составляет от 0,3 до 1% на ГС и уменьшается с ростом уровня возбуждения (в том числе и при «подсветке» для снижения инерционности). В моно кристаллах CdS с повышенной чувствительностью наблюдалось уменьшение тока /ф в интервале температур 20—45° С на 0,8— 2,5% на ГС [38]. Необходимо отметить разброс по величине (в 2—3 раза) температурных коэффициентов изменения тока даже у однотипных кристаллов. На характер температурной зависимости тока влияют контакты.
У всех типов неоднородных ППД наблюдается быстрый рост
темнового |
обратного |
тока (/т) с повышением температуры. |
В области |
нормальной |
температуры (20° С) практически все |
примеси ионизированы, поэтому концентрация основных носи телей неизменна, а концентрация неосновных носителей, кото рой пропорционален ток / т, возрастает экспоненциально. Такой характер температурных изменений тока /т подтверждается экспериментально [252—254].
Чувствительность поверхностно-барьерных, диффузионно дрейфовых и р — і — п-ППД, включенных по диодной схеме, увеличивается с ростом температуры. В первых двух типах детекторов это происходит несколько быстрее из-за диффузион ной составляющей тока В диффузионных детекторах
127