Полупроводниковый детектор

в ядерной физике, прибор для регистрации ионизирующих излучений (См. Ионизирующие излучения), основным элементом которого является кристалл полупроводника (См. Полупроводники). П. д. работает подобно ионизационной камере (См. Ионизационная камера)с тем отличием, что ионизация происходит не в газовом промежутке, а в толще кристалла. П. д. представляет собой Полупроводниковый диод, на который подано обратное (запирающее) напряжение (Полупроводниковый детектор 10² в). Слой полупроводника вблизи границы р—n-перехода (см.Электронно-дырочный переход) с объёмным зарядом «обеднён» носителями тока (электронами проводимости и дырками) и обладает высоким удельным электросопротивлением. Заряженная частица, проникая в него, создаёт дополнительные (неравновесные) электронно-дырочные пары, которые под действием электрического поля «рассасываются», перемещаясь к электродам П. д. В результате во внешней цепи П. д. возникает электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется (см.рис.).

Заряд, собранный на электродах П. д., пропорционален энергии, выделенной частицей при прохождении через обеднённый (чувствительный) слой. Поэтому, если частица полностью тормозится в чувствительном слое, П. д. может работать как спектрометр. Средняя энергия, необходимая для образования 1 электронно-дырочной пары в полупроводнике, мала (у Si 3,8 эв, у Ge Полупроводниковый детектор 2,9 эв). В сочетании с высокой плотностью вещества это позволяет получить спектрометр с высокой разрешающей способностью (Полупроводниковый детектор 0,1% для энергии Полупроводниковый детектор 1 Мэв). Если частица полностью тормозится в чувствительном слое, то эффективность её регистрации Полупроводниковый детектор 100%. Большая подвижность носителей тока в Ge и Si позволяет собрать заряд за время Полупроводниковый детектор10 нсек, что обеспечивает высокое временное разрешение П. д.

В первых П. д. (1956—57) использовались поверхностно-барьерные (см. Шотки диод)или сплавные p—n-переходы в Ge. Эти П. д. приходилось охлаждать для снижения уровня шумов (обусловленных обратным током), они имели малую глубину чувствительной области и не получили распространения. Практическое применение получили в 60-е гг. П. д. в виде поверхностно-барьерного перехода в Si (рис., а). Глубина чувствительной области Wв случае поверхностно-барьерного П. д. определяется величиной запирающего напряжения V:

W= 5,3․10^-5

Здесь ρ — удельное сопротивление полупроводника в ом․см. Для поверхностно-барьерных переходов в Si c ρ = 10⁴ ом․смпри V = (1— 2)10² в,W =1мм.Эти П. д. имеют малые шумы при комнатной температуре и применяются для регистрации короткопробежных частиц и для измерения удельных потерь энергии dEldx.

Для регистрации длиннопробежных частиц в 1970—71 были созданы П. д. р—i—n-типа (рис., б). В кристалл Si р-типа вводится примесь Li. Ионы Li движутся в р-области перехода (под действием электрического поля) и, компенсируя акцепторы, создают широкую чувствительную i-область собственной проводимости, глубина которой определяется глубиной диффузии ионов Li и достигает 5 мм. Такие дрейфовые кремний-литиевые детекторы используются для регистрации протонов с энергией до 25 Мэв, дейтронов — до 20 Мэв, электронов — до 2 Мэв и др.

Дальнейший шаг в развитии П. д. был сделан возвращением к Ge, обладающему большим порядковым номером Z и, следовательно, большей эффективностью для регистрации гамма-излучения (См. Гамма-излучение). Дрейфовые германий-литиевые плоские (планарные) П. д. применяются для регистрации γ-квантов с энергией в несколько сотен кэв. Для регистрации γ-квантов с энергией до 10 Мэв используются коаксиальные германий-литиевые детекторы (рис., в) с чувствительным объёмом достигающим 100 см³. Эффективность регистрации γ-квантов с энергией Мэв Полупроводниковый детектор десятков % и падает при энергиях >10 Мэв до 0,1—0,01%. Для частиц высоких энергий, пробег которых не укладывается в чувствительной области, П. д. позволяют, помимо акта регистрации частицы, определить удельные потери энергии dEldx, а в некоторых приборах координату х частицы (позиционно-чувствительные П. д.).

Недостатки П. д.: малая эффективность при регистрации γ-квантов больших энергии; ухудшение разрешающей способности при загрузках > 10⁴ частиц в сек;конечное время жизни П. д. при высоких Дозах облучения из-за накопления радиационных дефектов (см. Радиационные дефекты в кристаллах).Малость размеров доступных монокристаллов (диаметр Полупроводниковый детектор 3 см, объём Полупроводниковый детектор 100 см³)ограничивает применение П. д. в ряде областей.

Дальнейшее развитие П. д. связано с получением «сверхчистых» полупроводниковых монокристаллов больших размеров и с возможностью использования GaAs, SiC, CdTe (см. Полупроводниковые материалы). П. д. широко применяются в ядерной физике, физике элементарных частиц, а также в химии, геологии, медицине и в промышленности.

Лит.: Полупроводниковые детекторы ядерных частиц и их применение, М., 1967; Дирнли Дж., Нортроп Д., Полупроводниковые счетчики ядерных излучений, пер. с англ., М., 1966; Полупроводниковые детекторы ядерного излучения, в сборнике: Полупроводниковые приборы и их применение, в. 25, М., 1971 (Авт.: Рывкин С. М., Матвеев О. А., Новиков С. Р., Строкан Н. Б.).

А. Г. Беда. В. С. Кафтанов.

Полупроводниковые детекторы; штриховкой выделена чувствительная область; n — область полупроводника с электронной проводимостью, р — с дырочной, i — с собственной проводимостями; а — кремниевый поверхностно-барьерный детектор; б — дрейфовый германий-литиевый планарный детектор; в — германий-литиевый коаксиальный детектор.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР - полупроводниковый прибор для регистрации частиц и измерения их энергии. Представляет собой p-n-переход на основе кристаллов Si или Ge. Величина сигнала в полупроводниковом детекторе может быть значительно больше, чем в ионизационной камере. Высокая подвижность электронов и дырок обеспечивает малую (несколько нс) длительность сигнала с полупроводникового детектора. Применяются как спектрометры ?-квантов и тяжелых заряженных частиц.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР, полупроводниковый прибор для регистрации частиц и измерения их энергии. Представляет собой электронно-дырочный переход на основе кристаллов Ge или Si. Величина сигнала в полупроводниковом детекторе может быть значительно больше, чем в ионизационной камере. Высокая подвижность электронов и дырок обеспечивает малую (несколько нс) длительность сигнала.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР

прибор для регистрации ч-ц, осн. элементом к-рого явл. кристалл полупроводника. Регистрируемая ч-ца, проникая в кристалл, генерирует в нём дополнит. (неравновесные) электронно-дырочные пары. Носители заряда (электроны и дырки) под действием приложенного электрич. поля «рассасываются», перемещаясь к электродам П. д. В результате во внеш. цепи П. д. возникает электрич. импульс, к-рый далее усиливается и регистрируется (рис.). Для достижения достаточно высокой чувствительности необходимо, чтобы в отсутствии регистрируемых ч-ц полупроводник был обеднён носителями, т. е. имел миним. электропроводность.

Рис. Полупроводниковые детекторы (штриховкой выделена чувствит. область): n — область полупроводника с электронной проводимостью; p — с дырочной; г — с собств. проводимостью; а — кремниевый поверхностно-барьерный детектор; б — планарный диффузионно-дрейфовый германиевый детектор; в — коаксиальный диффузионно-дрейфовый Ge(Li)-детектор.

Это достигается использованием p — n-перехода, на к-рый подают обратное (запирающее) напряжение V. Слой полупроводника вблизи границы p — n-перехода, обеднённый носителями заряда и обладающий высоким уд. электросопротивлением r, явл. чувствит. слоем П. д. Глубина чувствит. слоя W=0,5?rV (W в мкм, r в Ом
• см, V в В). Остальная часть кристалла полупроводника образует нечувствительный (мёртвый) слой.

Заряд, собранный на электродах П. д., пропорц. энергии, выделенной ч-цей при прохождении через чувствит. слой. Поэтому, если ч-ца полностью тормозится в нём, П. д. может работать как спектрометр. Ср. энергия, необходимая для образования одной электронно-дырочной пары, в полупроводнике мала (у Si — 3,8 эВ, у Ge — 2,9 эВ). В сочетании с высокой плотностью в-ва это позволяет получить высокую разрешающую способность по энергии D?/?, достигающую =1% при?=10 кэВ и =0,1% при?=1000 кэВ. Если ч-ца полностью тормозится в чувствит. слое, то эффективность её регистрации =100%. Большая подвижность носителей тока в Ge и Si позволяет быстро собирать заряд на электродах за время =10-8 с, что обеспечивает высокое временное разрешение П. д.

Высокое энергетич. разрешение П. д. может быть достигнуто лишь при охлаждении детекторов до темп-ры жидкого азота, т. к. из-за малой ширины запрещённой зоны в Si и Ge даже в случае собств. проводимости концентрация свободных носителей при комнатной темп-ре велика. Кроме того, при охлаждении существенно увеличивается подвижность носителей, благодаря чему обеспечивается более полный их сбор на электродах. В связи с этим П. д. обычно размещают в криостатах, в к-рых поддерживается вакуум =10-6 мм рт. ст.

В П. д. используются т. н. поверхностно-барьерные (сплавные) переходы (W=1 — 2 мм, мёртвый слой =0,1 — 2 мкм) и диффузионные переходы. Введение примеси Li в Ge и Si (ионы Li захватывают носители и уменьшают проводимость) увеличивает W для плоских (п л а н а р н ы х) П. д. до 15 мм (диффузионно-дрейфовые П. д., имеющие pin-структуру) и позволяет создавать коаксиальные дрейфовые германиевые П. д. с примесью Li (Ge(Li)) с рабочим объёмом =200 см3 для регистрации жёстких g-квантов (??1МэВ). Из «сверхчистого» Ge (концентрация примесей =10-10 в 1 см3), сопротивление к-рого близко к собственному, также изготавливают планарные П. д. площадью ок. 19 см2 и W»16 мм и коаксиальные П. д. объёмом до 75 см3.

Для обеднения носителями в П. д. используется также предварит. облучение кристалла g-квантами. Образующиеся радиационные дефекты явл. ловушками для носителей (радиационные П. д.). Поверхностно-барьерные и диффузионные кремниевые П. д. обладают миним. толщиной мёртвого слоя (от десятых долей мкм до неск. мкм). Их используют для спектрометрии осколков деления атомных ядер, a-частиц с энергиями?20 МэВ, протонов с энергиями?5 МэВ и электронов с энергиями?200 кэВ. В этом случае пробег ч-ц ещё полностью укладывается в чувствит. слое П. д. Однако П. д. используются также для спектрометрии ч-ц более высоких энергий, когда пробег ч-ц больше глубины обеднённой области. При этом с помощью П. д. определяют удельные ионизац. потери энергии ч-ц или их координаты с пространств. разрешением до 50 мкм (позиционно-чувствительные П. д.).

Для спектрометрии мягкого рентг. излучения обычно используют диффузионно-дрейфовые П. д. из кремния с примесью лития, а также германиевые П. д. Для спектрометрии g-квантов применяют коаксиальные диффузионно-дрейфовые П. д. из Ge(Li) и из сверхчистого Ge. Применяют также полупроводники с большой шириной запрещённой зоны?g (CdTe с?g=1,5 эВ и HgI с?g=2,l эВ). Однако из-за большей ср. энергии образования пары электрон — дырка их энергетич. разрешение хуже, чем в случае Ge и Si.

В процессе работы в П. д. происходит накопление радиац. дефектов в его чувствит. объёме, в результате чего его спектрометрич. св-ва ухудшаются. Предельные потоки для быстрых нейтронов 1012—1013 см-2, для a-частиц 1010 см-2, для электронов с энергией 2—5 МэВ 1013—1014 см-2, для g-квантов больше 108 рад.

полупроводнико́вый дете́ктор

полупроводниковый прибор для регистрации частиц и измерения их энергии. Представляет собой р—п-переход на основе кристаллов Si или Ge. Величина сигнала в полупроводниковом детекторе может быть значительно больше, чем в ионизационной камере. Высокая подвижность электронов и дырок обеспечивает малую (несколько нс) длительность сигнала с полупроводникового детектора. Применяются как спектрометры γ-квантов и тяжёлых заряженных частиц.

* * *

ПОЛУПРОВОДНИКО́ВЫЙ ДЕТЕ́КТОР, полупроводниковый прибор для регистрации частиц и измерения их энергии. Представляет собой —pn-переход на основе кристаллов Si или Ge. Величина сигнала в полупроводниковом детекторе может быть значительно больше, чем в ионизационной камере(см. ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА). Высокая подвижность электронов и дырок обеспечивает малую (несколько нс) длительность сигнала с полупроводникового детектора. Применяются как спектрометры g-квантов и тяжелых заряженных частиц.

двухэлектродный полупроводниковый прибор для регистрации и измерения энергии ионизирующих излучений. Обычно содержит р - n-переход, выполняется на основе кристаллов кремния, германия и др. При подаче на П. д. отрицат. (запирающего) напряжения (10 - 100 В) область пространств, заряда вблизи границы р - n-перехода "обедняется" носителями заряда. Регистрируемая частица, попадая в обедненный слой, образует неравновесные электронно-дырочные пары, к-рые под действием электрич. поля разделяются; при этом электроны и дырки перемещаются (дрейфуют) к электродам детектора. В результате во внеш. цепи П. д. возникает электрич. импульс, к-рый затем усиливается и регистрируется. Высокая подвижность электронов и дырок обеспечивает малую (неск. не) длительность сигнала с П. д. Применяется гл. обр. как спектрометр у-квантов и тяжёлых заряженных частиц (протонов, а-частиц и др.).

rivelatore a semiconduttori

напівпровіднико́вий дете́ктор

напівпровіднико́вий дете́ктор

полупроводниковый прибор для регистрации микрочастиц и измерения их энергии. Представляет собой р - n -переход на основе кристаллов Si или Ge. Величина сигнала в П. д. может быть значительно больше, чем в ионизационной камере. Высокая подвижность электронов и дырок обеспечивает малую (неск. нc) длительность сигнала с П. д. Применяются как спектрометры у-квантов и тяжёлых заряж. частиц.