Материал: Бушуев Методы и приборы измерений ядерных материалов 2011

Минимальное число носителей обоих зарядов наблюдается при n=p, что соответствует случаю полностью скомпенсированного полупроводника, сопротивление которого такое же, как и у беспримесного. Реальные полупроводники обычно содержат примеси: кремний трудно очистить от бора, германий – от кислорода. Характеристики Si и Ge приведены в табл. В1.1.

Таблица В1.1

Даже охлаждая такие материалы до 77 К, не удается получить необходимое удельное сопротивление. Для того чтобы из полупроводников с невысоким удельным сопротивлением изготовить ППД, используют свойства p-n-перехода (или перехода между полупроводником и металлом).

Переходы создают либо путем введения донорных атомов в полупроводник p-типа, либо акцепторных – в полупроводник n-типа. Еще один способ – создание поверхностно-барьерного перехода путем нанесения определенных металлов на поверхность полупроводника n-типа. Ниже (рис. В1.2) показано формирование p-n- перехода в полупроводниковом кристалле.

11

d<10-4 см

Рис. В1.2. Формирование в полупроводниковом кристалле

Чувствительную область d можно использовать в качестве детектора. Почти полное отсутствие носителей в этой области соответствует высокому удельному сопротивлению. Размер области

12

можно увеличить, приложив к переходу обратное напряжение (плюс – к n-области, минус – к p-области). В результате этого толщина обедненного носителями слоя возрастет.

Свойства ППД

При регистрации моноэнергетических частиц или излучений амплитуды сигналов имеют разброс из-за флуктуаций числа собранных носителей заряда, теплового шума и шума, создаваемого током утечки через p-n-переход. Для Si-детекторов при регистрации частиц с энергией, равной 1 МэВ, разброс составляет около 0,5 кэВ, что близко к теоретическому пределу энергетического разрешения ППД.

Тепловой шум, вызванный флуктуацией скорости теплового движения носителей, и шум обратного тока очень сильно зависят от температуры детектора (рис. В1.3). Охлаждение до температуры жидкого азота (77 К) позволяет достигать предельного разрешения.

Е/Е 5

4

3

2

1

Рис. В1.3. Зависимость энергетического разрешения ППД от температуры

Флуктуация числа собранных носителей заряда обусловлена тем, что сбор не бывает полным, поскольку процесс рекомбинации ограничивает время жизни носителей. Еще один процесс, ограничивающий разрешение ППД, – захват электронов и дырок.

13

При регистрации гамма-квантов сигнал возникает в результате образования в ППД вторичных заряженных частиц, энергии которых неоднозначно связаны с энергией квантов. В спектрах излучений, регистрируемых с помощью ППД, наибольший интерес представляют пики полного поглощения энергии, которые образуются в результате фотоэффекта. Дополнительный вклад в пик полного поглощения вносит эффект многократного комптоновского рассеяния, доля которого тем выше, чем больше объем детектора, а также процесс образования пары электрон-позитрон для гамма-квантов с энергией, превышающей 1022 кэВ. Эффективность регистрации излучения зависит от его энергии и определяется экспериментально с помощью набора градуировочных источников. С ростом энергии роль фотоэффекта уменьшается, но пик полного поглощения сохраняет значительную величину за счет многократных процессов в объеме детектора (рассеяние+поглощение, и др.). От выбора размеров кристалла зависит энергетическое разрешение и эффективность ППД.

Полученные с помощью ППД спектры могут быть искажены влиянием ряда факторов, которые подразделяют на три категории:

эффекты, связанные с процессами в образце (рассеяние и поглощение квантов внутри образца, возбуждение характеристического рентгеновского излучения в образце, и др.);

эффекты, связанные с характеристиками ППД (сателлитные пики, возникающие в результате вылета аннигиляционных квантов при образовании пар в ППД, сателлитные пики, связанные с характеристическим рентгеновским излучением материала детектора, и

др.);

внешние эффекты (естественный радиационный фон, суммирование сигналов в электронном тракте, и др.).

Типы полупроводниковых детекторов

Детекторы из сверхчистого германия (HPGe). Энергетическое разрешение детекторов этого типа приближается к предельному значению, обусловленному статистическими флуктуациями образования носителей заряда в ППД и уровнем шумов электронных

14

блоков. HPGe-детекторы бывают двух основных конфигураций: плоскопараллельные (планарные) и коаксиальные.

Исходным материалом при изготовлении этих детекторов служит поликристаллический германий полупроводниковой чистоты, полученный с помощью зонной очистки с поверхности. При зонной очистке большинство примесей концентрируют в жидком расплаве. Для этого нагревающую спираль медленно перемещают вдоль слитка, вызывая плавление материала. Примеси остаются в расплавленной секции и постепенно "счищаются" к концу слитка. Операция очистки повторяется много раз, пока примеси не сконцентрируются на конце, который удаляют. Остаток имеет более высокую чистоту, чем исходный материал, а степень очистки от примесей достигает 100 и более раз. Очищенному слитку придают нужную форму и делают полость на необработанном конце для последующего введения центрального электрического контакта.

Следующая операция – постановка детектора в криостат, где он охлаждается до температуры жидкого азота (рис. В1.4). Для снижения теплового шума первый каскад предусилителя тоже охлаждают, помещая его внутри криостата в высоком вакууме. Для удаления остатка воздуха после откачки и поддержания вакуума в течение длительного времени используют газопоглотитель. Детектор закрепляют на хладопроводе – медном стержне, конец которого погружен в жидкий азот. Толщина стенок алюминиевого криостата составляет 1,3 мм; для измерений мягких излучений в крышке криостата делают окно из Be или пленки из углеродного волокна.

Ge(Li)-детекторы. До недавнего прошлого широко использовались Ge(Li)-детекторы, изготовляемые путем диффузионного внедрения лития в германий. Литий напыляют на p-материал, затем поднимают температуру до 400°С, и литий диффундирует вглубь. Затем к p-n-переходу прикладывают обратное напряжение, и положительные ионы Li начинают двигаться из n-области в p-область, компенсируя акцепторные атомы p-материала. Таким образом получают планарные детекторы площадью до 10-15 см2 и коаксиальные детекторы объемом до 100 см3 и более.

15