Полупроводниковый детектор представляет собой прибор для регистрации ионизирующего излучения, строение подобно ионизационной камерой, где в пространстве между электродами находится твердый диэлектрик (рис. 1). Прохождение заряженной частицы возбуждает в чувствительной области детектора неравновесные носители заряда. Движение дырок и электронов к электродам в чувствительной области создается путем подачи внешнего напряжения и появлением электрического поля в чувствительной области. После дрейфа носителей заряда на катоде и аноде накапливается заряд пропорциональный величине, пройденной неравновесными зарядами разности потенциалов в чувствительной области детектора.
Рис. 1. Схема включения полупроводникового детектора [1]
Получение наилучших характеристик детектора зависит от выбора материала для чувствительной области. Долговечность работы детектора, получение сигнала пропорционально потерянной энергии, в чувствительном объеме материала, уменьшение времени сбора заряда характеризуется параметрами полупроводникового материала, выбранного в качестве чувствительного объема, полупроводник должен соответствовать следующим характеристикам [2]:
- Среднее значение энергии, затраченное на возбуждение одной пары носителей заряда должно быть мало. Таким образом ионизирующее излучение создаст большее количество неравновесных носителей, что уменьшит флуктуацию, которая определяет предел энергетического разрешения камеры.
- Малой вероятностью захвата носителей и их рекомбинацией. Полный собранный заряд напрямую зависит от количества носителей заряда, которые достигли электродов. Количество собранного заряда соответствует энергетическому разрешению и влияет на статистические флуктуации.
- Большой и близкой по величине подвижностью носителей обоих знаков. Чем выше подвижность, тем меньше время сбора носителей и тем лучше разрешающее время. Если значения подвижности носителей близки по величине, то амплитуда сигнала от такого детектора не будет зависеть от места образования носителей.
- Большим удельным электрическим сопротивлением. При подаче разности потенциалов через кристалл потечет ток, который пропорционален электропроводности материала и определяет уровень собственных шумов сенсора.
- Высокий атомный номер
- Большая ширина запрещенной зоны (для усиления радиационной стойкости)
В таблице 1 перечислен ряд материалов, которые применяются для изготовления детекторов, и приведены их основные свойства.
Таблица 1
Полупроводниковые материалы для детекторов [2]
|
Материал |
Si |
Ge |
CdTe |
Cd0.9Zn0.1Te |
GaAs |
α-Se |
|
Средний атомный номер |
14 |
32 |
50 |
49,1 |
32 |
34 |
|
Плотность, г/см3 |
2,33 |
5,33 |
5,85 |
5,78 |
5,32 |
4,3 |
|
Ширина запрещенной зоны, эВ |
1,12 |
0,67 |
1,5 |
1,572 |
1,43 |
2,3 |
|
Энергия образования одной пары, эВ |
3,62 |
2,95 |
4,43 |
4,64 |
4,2 |
7 |
|
Удельное сопротивление, Ом·см |
<104 |
50 |
109 |
3–1010 |
107 |
1012 |
|
Подвижность электронов, см2/В·с |
1400 |
3900 |
1100 |
1000 |
8000 |
0,005 |
|
Время жизни электронов, с |
>10–3 |
>10–3 |
3–10–6 |
3–10–6 |
10–8 |
10–6 |
|
Произведение подвижности на время жизни электр., см2/В |
>1 |
>1 |
3,3–10–3 |
3–10–3 |
8–10–5 |
5–10–9 |
|
Подвижность дырок, см2/В·с |
480 |
1900 |
100 |
50–80 |
400 |
0,14 |
|
Время жизни дырок, с |
2–10–3 |
10–3 |
2–10–6 |
10–6 |
10–7 |
10–6 |
|
Произведение подвижности на время жизни дырок, см2/В |
~1 |
>1 |
2–10–4 |
5–10–5 |
4–10–6 |
1,4–10–7 |
По данным, представленным в таблице, видно, что у материалов кремния и германия высокие значения времени жизни носителей заряда в сравнении с другими полупроводниковыми материалами, но имеют определенные недостатки, что ограничивает их использование в детекторах. Существенным недостатком кремния как материала для детекторов является низкий атомный номер, что является проблемой для детектирования гамма- и рентгеновских лучей. У германия атомный номер выше, чем у кремния, но для нормальной работы с маленькими токами материал нужно охладить. Из-за не оптимальной ширины запрещенной зоны тепловой ток генерации, который мешает сбору полезного заряда. У элементарных полупроводников малая радиостойкость, что также влияет на длительность работы с ионизирующими излучениями.
На данный момент популярность набирают бинарные и тройные соединения такие как: кристаллы теллурида кадмия и цинка- (CdZnTe), теллурид кадмия (CdTe), арсенид галлия (GaAs). Первые два полупроводника имеют высокую стоимость и отсутствие технологии изготовления монокристаллов для коммерческого использования, поэтому арсенид галлия является перспективным дешевым и эффективным материалом.
Литература:
- Абрамов А. И. Основы экспериментальных методов ядерной физики /А. И. Амбрамов, Ю. А. Казанский, Е. С. Матусевич. — Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.:Атомиздат, 1977. — 528 с.
- Гаман В. И. Физика полупроводниковых приборов / В. И. Гаман. — Томск: Изд-во НТЛ, 2000. — 426 с.
