Файл: Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений..pdf

составляющая тока, обусловленная носителями, образовавши­ мися в слое объемного заряда (/г), уменьшается с ростом тем­ пературы от 20 до 50°С на 24%. Однако увеличение диффу-' знойной составляющей тока /ф на 11% (в данном случае Лшф^ЛО с повышением температуры приводит к росту тока / ф со скоростью 0,35%/град, причем эта скорость несколько умень­ шается при увеличении напряжения U так как толщина слоя

объемного заряда пропорциональна У U. Уменьшение толщины слоя объемного заряда у этих детекторов, определенное по температурной зависимости тока Iф, согласуется с данными об изменении емкости в зависимости от температуры.

диффузионных детекторах. Таким образом, увеличение тока Ль с ростом температуры всех рассматриваемых типов ППД, включенных по диодной схеме, незначительно и не компенсирует роста тока /т. Поэтому порог чувствительности также увеличи­ вается с ростом температуры.

В счетном режиме амплитуда импульсов зависит от времени собирания неравновесных носителей, образовавшихся в слое объемного заряда. В рассматриваемом интервале температур подвижность носителей увеличивается с уменьшением темпера­ туры, поэтому амплитуда импульсов растет.

Л>40°С, причем тем быстрее, чем меньше напряжение смеще­ ния (более медленное разделение носителей). Например, при Л=80°С по сравнению с 20°С амплитуда импульсов уменьша­

факторами, что и в диодной схеме включения. Величина тока Іп зависит также от температурного изменения темнового сопро­ тивления р — «-перехода, которое быстро уменьшается с ростом температуры. Это приводит к уменьшению тока, протекающего через измерительный прибор, сопротивление которого (/?н) всегда конечно.

Таким образом, при любых значениях сопротивления нагруз­ ки ток в зависимости от температуры будет изменяться по кривой, расположенной между двумя предельными кривыми, одна из которых соответствует зависимости фототока Ліъ а вто­ рая— зависимости напряжения £/х.х от температуры.

На рис. 6.6 приведены эти зависимости для возбуждения ФЭП на основе кремния и GaAs световым излучением различйого спёктрального состава и рентгеновским излучением. Спектр светового коротковолнового излучения ограничен максимальной

128

длиной волны порядка 600 нм, минимальной 490 нм, длинно­ волнового излучения 1000 и 650 нм соответственно-.

Рис. 6.5. Зависимость тока от температуры:

; 3 — коротковолновым и длинноволновым светом; 2 — рентгеновским излучением; 4 — изменение U x х .

Коэффициент поглощения коротковолнового светового излу­ чения (см. рис. 4.2) незначительно изменяется при вариациях ширины запрещенной зоны на 0,09 эв у кремния п 0,12 эв у GaAs (эти цифры определены по данным работ [256, 257] и соответствуют имеющему место в эксперименте перепаду тем­ ператур в 250°С). Основная доля энергии при таком спектраль­ ном составе излучения поглотится соответственно в переднем слое «-типа у ФЭП на основе кремния и р-типа ФЭП на основе GaAs. Поэтому уменьшение тока /,;.3 следует отнести за счет температурных изменений рекомбинационных процессов и подвижности носителей на поверхности и в обедненной области [258].

При возбуждении длинноволновым световым излучением поглощение энергии будет происходить в основном в базе. Для данного спектрального состава излучения эффективный коэф­ фициент поглощения и число образованных з результате погло­ щения неравновесных носителей быстро увеличивается с ростом температуры, приводя к увеличению тока / Кі3.

При возбуждении рентгеновским излучением коэффициенты поглощения, а следовательно, и распределение поглощенной энергии не зависят от температуры. Рост тока /к.3 с температу­ рой следует отнести за счет увеличения диффузионной длины в результате повышения времени жизни неосновных носителей [259—261].

Приведенная на рис. 6.6 температурная зависимость тока /„.з наблюдалась и у диффузионных [121] детекторов. Следует отметить, что угол наклона кривой 7K.3= f (Г) при возбуждении рентгеновским излучением у образцов одной партии ФЭП мо­ жет' быть в 2—3 раза меньше по сравнению с приведенным на рис. 6.6, особенно у ФЭП с низким сопротивлением р — п-пере-

где А\ — постоянная, незначительно зависящая от температуры и определяемая параметрами материала. і

Таким образом, Ux,x должно уменьшаться приблизительно пропорционально увеличению температуры. Если условие. 7ф^/т не выполняется, напряжение Ux,x при Т-+0 возрастет не­ сколько медленнее (см. рис. 6.6, кривые 4), чем это следует из уравнения (6.4). Кривая Ux. x= f(fф), согласно формуле (6.1), должна пересекаться с осью ординат при значении Ux.x, численно равном ширине запрещенной зоны. Такая зависимость наблю­ дается у всех рассматриваемых ППД, за исключением

р — i — /г-детекторов, у которых пересечение кривой Ux,x— f(T) происходит при Ux,x= 0,5—0,6 в.

В ППД с лавинным усилением основные температурные изменения в скорости счета возникают из-за зависимости на­ пряжения образования лавины Unp от температуры (0,1— 0,2 в/град). В детекторе с пропорциональным усилением ско­

детекторах на основе сочетания кремниевых ФЭП со сцинтил­ лятором CsI (Т1) ток короткого замыкания уменьшается при увеличении температуры (см. рис. 6.5, кривая 7), что обуслов­ лено падением свечения сцинтиллятора [263].

Уменьшение температурной зависимости

Уменьшение температурной зависимости практически осу­ ществляется только в ППД с усилением и при работе детекто­ ров в фотовольтаическом режиме. В первом случае это дости­ гается регулированием напряжения смещения в соответствии с изменением температуры с помощью электронной схемы [264]. Во-втором случае, исходя из рассмотренных температурных изменений / І;.3 и Ux,x, можно указать три способа компенсации температурной погрешности, основанные на: изменении спек­ трального состава излучения; использовании нелинейного сопро­ тивления с отрицательным температурным коэффициентом, выборе оптимальной величины сопротивления нагрузки.

Последний способ можно использовать только при повыше­ нии тока /1{., с увеличением температуры. Определить величину нагрузочного сопротивления, при котором температурная погрешность минимальна, наиболее просто графическим постро­ ением по известным нагрузочным характеристикам (построен­ ным при наименьшей и наибольшей температурах работы прибора).

§6.3. ВЛИЯНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Вмагнитном поле пути движения электронов и дырок между актами рассеяния удлиняются. Если вектор магнитного поля перпендикулярен к вектору электрического поля, носители за­ ряда будут дрейфовать к боковым поверхностям детектора. Скорость поверхностной рекомбинации выше, чем объемной,

поэтому чувствительность детектора уменьшается [265]. Магнитное поле не влияет на характеристики детектора,

если [265]

I

У кремния при 18°С подвижность £ —2 -ІО3 см/ (в-сек), т. е. Н < 5 -ІО4 э не влияет на его чувствительность. Эксперименталь­ ные данные подтверждают эту оценку. При температуре 18° С магнитное поле до 12 кэ не сказывается на амплитуде импуль­ сов, возникающих в поверхностно-барьерном счетчике под воз­ действием а-частиц, независимо от его ориентации в поле [255].

Подвижность носителей растет с уменьшением температуры, и влияние магнитного поля на чувствительность детектора мо­ жет усиливаться. Однако измерения [266], выполненные на поверхностно-барьерных счетчиках при температуре жидкого азота, показали, что магнитное поле с напряженностью до 10 кэ не влияет на амплитуду импульса.

Наиболее сильные магнитные поля (среди терапевтических источников излучения) у бетатронов. Однако даже при самом неблагоприятном размещении детекторы подвергаются воздейст­ вию магнитного поля напряженностью на 2—3 порядка меньше перечисленных.

§6.4. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ППД СО ВРЕМЕНЕМ

Впроцессе хранения ППД при нормальных условиях их па­ раметры и характеристики изменяются в основном из-за диффу­ зии легирующих примесей и действия внешней среды на поверх­ ностные свойства. «Герметизация» чувствительного объема и

применение малоподвижных легирующих примесей в процессе изготовления ППД приводят к ухудшению других характери­ стик. Наибольшие изменения свойств со временем наблюдаются у поверхностно-барьерных и литий-дрейфовых ППД. У поверх­ ностно-барьерных детекторов AuSi-типа непосредственно после изготовления обычно наблюдается непродолжительное (от не­ скольких дней до месяцев) улучшение некоторых характеристик (падает обратный ток, уменьшаются шумы и возрастает чувст­ вительность). В дальнейшем эти характеристики ухудшаются. Чувствительность в вентильном режиме включения у образцов одной и той же партии изменяется за год после изготовления в среднем на 10—20%, причем падение тока Ік,3 обычно тем больше, чем выше его исходное значение и зависит также от окружающей среды, материала контакта, способа его нанесе­ ния [267, 268].

При работе детектора по диодной схеме включения измене­ ние чувствительности в 2—4 раза меньше указанных. В этой схеме включения наибольшие изменения претерпевает [267] обратный темновой ток. Характер этих изменений зависит от состава окружающего газа, температуры детектора при хране­ нии [269, 270].

Методы стабилизации обратного тока сходны с рассмотрен­ ными ранее методами его уменьшения и обычно основаны на изоляции поверхностного барьера от внешней среды. В част­

5* 133