Файл: Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений..pdf

ла Т. Температура Те определяется выражением

кета 1200 см2І(в-сек), поэтому повышение температуры электро­ нов начинается уже с полей около 600 в/см.

Изменение подвижности в электрическом поле существенно зависит от механизма рассеяния (рассеяние тепловое, на ионах примеси, на нейтральных примесных центрах, на дислокациях).

При чисто тепловом рассеянии носителей заряда длина сво­ бодного пробега зависит от их энергии. В то же время скорость

подвижность уменьшается, так как основное значение начинает приобретать рассеяние на тепловых колебаниях решетки.

При большой напряженности поля начинает преобладать процесс рассеяния, обусловленный взаимодействием с оптиче­ скими колебаниями решетки. Этот процесс ограничивает ско­

107 см/сек достигается при £ = 5-104 в/см.

Влияние электрического поля на концентрацию носителей

Существует несколько механизмов влияния поля на концен­ трацию носителей: электростатическая ионизация — в результа­ те туннельного эффекта, термополевая и ударная.

Рассмотрим влияние электрического поля на вероятность де­ локализации электрона с центра захвата (см. рис. 2.3).

Электрическое поле, изменяя форму потенциальной ямы, увеличивает вероятность делокализации электрона. При этом следует различать два случая: длина свободного пробега элек­

4S

трона больше ширины ямы (/> гн) и меньше ширины ямы

( К г к).

В первом случае понижение потенциального барьера на ве­

Для кулоновского центра Дш= —2е|/е£/е, для незаряжен­ ного Аш= —еаЕ, где е — диэлектрическая постоянная; а — ра­ диус ямы. Различная зависимость эффекта от поля позволяет

внекоторых случаях судить о форме потенциальной ямы. Если же длина свободного пробега меньше ширины ямы (второй слу­ чай), понижение барьера приводит к диффузии электрона че­ рез край ямы. Этот процесс происходит существенно медленнее первого.

При достаточно большой напряженности электрического поля

вполупроводнике возможен процесс ударной ионизации. Для

количественного описания этого процесса необходимо знать зависимость вероятности ионизации г|г от энергии электрона и функцию распределения энергии электронов в сильном электри­ ческом поле. Зависимость т|,- от энергии электрона можно пред­ ставить в виде

где аі — постоянная, имеющая размерность сек~и, Е — энергия электрона; £,-— пороговая энергия ударной ионизации*, п — показатель степени, который принимает значения 1, 2, 3.

Пороговую энергию £ , электрон может получить постепен­ но, в результате многих столкновений (диффузионный меха­ низм) или пройдя случайно без столкновений путь l=EJeE (таунсендовский механизм). В этом случае вероятность ударной ионизации пропорциональна вероятности для электрона пройти без столкновений путь /=£,-/е£, т. е.

где I — средняя длина свободного пробега электрона.

При понижении температуры длина свободного пробега уве­ личивается, поэтому ударная ионизация (особенно ударная ионизация примесей) начинает играть основную роль уже при

* При этом приобретенная в поле энергия еЕІ должна превышать ширину запрещенной зоны Eg или потенциал ионизации примеси.

46

сравнительно малых напряженностях электрического поля (в германии 5 в/см). Для осуществления ударного механизма элек­ тронам требуется меньшая напряженность поля, чем дыркам.

§ 2.5. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ РЕНТГЕНОВСКОГО И у-ИЗЛУЧЕНИЙ

В результате облучения изменяются практически все пара­ метры полупроводника: концентрация носителей, их время жиз­ ни, подвижность и т. д. Эти изменения необходимо учитывать при длительном применении ППД, так как они влияют на до­ зиметрические характеристики ППД. В то же время количест­ венный учет изменения свойств ППД, под действием излуче­ ния, может служить основой для развития специальных мето­ дов дозиметрии.

Пороговые эффекты

Быстрая частица, столкнувшись с атомом, может сместить его из узла кристаллической решетки. При этом образуется пу­ стой узел (вакансия) и атом, остановившийся на небольшом расстоянии от вакансии. Такие нарушения решетки названы дефектами Френкеля.

Вероятность возникновения смещенных атомов, в результате непосредственного взаимодействия фотона с ядрами, очень ма­ лая. (Для образования одного дефекта в слое кремния ~ 1 мм требуется ІО3 фотонов с энергией 1 Мэв.) Основное значение имеют возникающие в веществе быстрые электроны. Для обра­ зования дефектов Френкеля необходимо сообщить атому энер­ гию больше Ed. Величина Ed (энергия смещения) в несколько раз превышает энергию связи атомов, т. е. равна нескольким десяткам электронвольт*. Однако для передачи такой энергии тяжелому атому электрон должен быть высокоэнергетичным.

Энергия Еа, передаваемая атому электроном с энергией Е, выражается так:

направлением вылета атома. Значение (ДОмакс Для германия и кремния приведено в табл. 2.2. Отметим, что значительная доля атомов получает энергию существенно меньше максимальной.

Так, например, при облучении полупроводников электронами большой энергии (несколько мегаэлектронвольт) большинство

* В бинарных (и более сложных) полупроводниках различие в массе атомов приводит к появлению нескольких значений Еа. Кроме того, возмож­ но появление зависимости Еа от ориентации относительно пучка излучения.

47

дефектов возникает в результате столкновений, при которых атомам передается энергия, равная нескольким десяткам кило­ электронвольт (для германия 50—70 эв). Значения пороговой энергии электронов (ЕА)п и соответствующие значения Е^ при­ ведены в табл. 2.3 [22].

Т а б л и ц а 2.3 Пороговые энергии возникновения радиационных дефектов в полупроводниках

Кроме смещения атомов из узлов решетки возможно также перемещение под действием излучения уже существующих де­ фектов.

Излучение с энергией кванта меньше пороговой также вы­ зывает образование дефектов структуры, однако механизм этого явления изучен недостаточно. Действие излучения с энергией меньше пороговой на отдельные .ППД рассмотрено в гл. 6.

Влияние облучения на свойства полупроводников

Наиболее полно изучено действие радиации на германий и кремний. В этих материалах радиационные дефекты, как пра­ вило, уменьшают концентрацию свободных носителей. Это уменьшение больше для материалов с малой концентрацией носителей, т. е. с высоким удельным сопротивлением. Заметные

48