2.2.2 Полупроводниковые детекторы

Полупроводниковый детектор является аналогом ионизационной камеры с твердотельным кристаллическим чувствительным объемом. Основное преимущество полупроводниковых детекторов перед ионизационными газовыми детекторами состоит в том, что они имеют высокую чувствительность при небольших размерах. Это обусловлено высокой плотностью материала чувствительного объема в полупроводнике по сравнению с плотностью газа в ионизационной камере, при меньших затратах энергии на образование пар ионов. Благодаря этому поглощенная энергия в единицу объема полупроводника увеличивается в 10⁴ раз [10].

Процессы, протекающие в детекторе, укрупненно можно представить следующим образом. При комнатной температуре электропроводность полупроводника занимает промежуточное положение между диэлектриком и проводником. С ростом температуры проводимость полупроводника быстро увеличивается. Это объясняется зонной структурой энергетических уровней электронов в полупроводниковом кристалле.

Пояснение. Известно, что элементы таблицы Менделеева можно подразделить на три класса: проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники – это металлы и их соединения, имеющие удельную электропроводность 10⁶ – 10⁵ Ом^-1 см^-1. Диэлектрики (стекло, фарфор, янтарь и др.) имеют удельную электропроводность 10^-18 – 10^-10 Ом^-1 см^-1. Все материалы, располагающиеся между металлами и диэлектриками, принято называть полупроводниками. Во всех материалах молекулы и атомы находятся в определенных энергетических состояниях, особенности которых определяет число свободных электронов, а, следовательно, их электрическую проводимость. Электроны атомов находятся на определенных оболочках в так называемых разрешенных зонах. Между разрешенными зонами отдельных оболочек находятся так называемые запрещенные зоны, на которых электроны не могут находиться. В кристаллах из-за высокой плотности расположения атомов происходит смещение энергетических уровней внешних электронных оболочек атомов. Это сказывается на энергетических свойствах кристалла. На свойства влияет также степень заполнения оболочек электронами. Зону, где электроны находятся в связанном состоянии, и перемещаться не могут, называют валентной, а зону где электроны находятся в свободном состоянии и перемещаются, называют зоной проводимости. Между ними располагается запрещенная зона. Ширину зон определяют энергетическими характеристиками, то есть ∆Е (эВ). Если электрон в решетке кристалла (валентная зона) проводника получает энергию равную или большею чем ∆Е, то он может перейти в зону проводимости, оставив вакантное место, которое называют дыркой. Электрон и дырка свободно и независимо перемещаются через решетку кристалла, создавая электрическую проводимость. Чем больше электронов будет попадать в зону проводимости, тем больше будет образовываться дырок и тем больше будет проводимость полупроводника. Если к чистому кристаллу полупроводника приложить разность потенциалов то возникнет ток. Такую проводимость называют собственной проводимостью полупроводника. Кроме собственной проводимости существует примесная проводимость, например, в кристаллическую решетку кремния (валентность – 4) вводится добавка пятивалентных атомов фосфора, мышьяка или сурьмы. Тогда в кристаллическую решетку кремния внедрится некоторое количество пятивалентных атомов. Пятая валентность в четырехвалентной решетке не связана, и электрон может оторваться от атома, превратившись в свободный носитель заряда. Он перейдет в зону проводимости. Атом добавки, то есть примесь, при этом превратиться в неподвижный положительный ион. Здесь проводимость обусловлена электронами, такие полупроводники называют электронными или полупроводниками n – типа.

Примесные атомы, отдающие электроны, называют донорами. Если в четырехвалентную кристаллическую решетку, например, германия внедрить примесь трехвалентных атомов, например, индия, галлия и др. то им не будет хватать одной связи, то есть одного электрона. И электрон, находящийся в валентной зоне может перейти от соседнего атома кремния к трехвалентному атому и последний, получив дополнительно электрон превратиться в отрицательный ион, а в валентной зоне образуется дырка, которая присоединит электрон соседнего атома. Происходит как бы перемещение дырок по полю. Под действием приложенной разности потенциалов возникает электрический ток. Проводимость таких полупроводников обусловлена движением дырок они называются дырочными или полупроводники р – типа. Примесные атомы присоединяющие электроны называются акцепторами. Донорные примесные уровни располагаются в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости, а акцепторные примесные уровни, вблизи валентной зоны. Основной областью полупроводникового детектора является область р – n перехода, которую можно образовать следующим образом. На грань полупроводника р – типа наносится донорная примесь и получаем полупроводник р – типа содержащий также полупроводник n – типа. Электроны n – слоя будут диффундировать в р – слой, а дырки р – слоя – в n – слой. Благодаря этому со стороны р – слоя создается отрицательный объемный заряд, а со стороны n – слоя – положительный. Через некоторое время диффузия носителей заряда, то есть электронов и дырок прекратится. В результате диффузии на грани р и n – слоев образуется область объединенная основными носителями зарядов. Ее принято называть запорным слоем или потенциальным барьером. Область запорного слоя называют также переходом. Для данного случая это – р - n – переход. Ионизирующие частицы, попав в этот слой в результате реакции неупругого рассеяния, отдают электронам свою энергию и образуют пары электрон – дырка. На образование одной такой пары требуется незначительная энергия порядка 3,6 эВ в кремнии и 2,94 эВ в германии. На образовании одной пар ионов в воздухе требуется энергия 35 эВ. То есть эффективность полупроводниковых детекторов действительно в несколько раз выше ионизационных, а габариты - ниже. Наибольшее распространение получили поверхностно–барьерные, диффузионно-дрейфовые и литьево-дрейфовые детекторы. Схема поверхностно-барьерного детектора показана на рис.11.

Рис. 11. Схема поверхностно-барьерного детектора

Работает он следующим образом. Допустим со стороны n – перехода в детектор попадает альфа-частица. Она тормозится в небольшом слое и отдает свою энергию на образование электронно-дырочных пар. В результате перемещения зарядов в замкнутой цепи n – р детектора возникает ток. Сопротивление детектора резко снижается и на сопротивление нагрузки R_n будет падать почти все напряжение источника тока. Импульс напряжения на R_n пропорционален энергии альфа-частицы. Его и регистрируют. Такие детекторы используются для регистрации альфа-частиц, электронов, протонов, а также можно использовать для регистрации быстрых и медленных нейтронов. Диффузионные детекторы отличаются от диффузионно-барьерных тем, что к ним прикладываются обратные напряжения. Глубина чувствительного слоя в этих детекторах составляет до 2 мм тогда как в поверхностно-барьерных его толщина 20 – 30 мкм. Эти детекторы, то есть диффузионные используются для счета бета-частиц средней энергии, а также для регистрации ускоренных заряженных частиц. Диффузионно-дрейфовые детекторы n – i – p – типа представляют собою кристалл со сложной структурой: с одного его края n – проводимость, с другого р – проводимость, а посредине находится i – слой, где сконцентрированы все примеси. Это обеспечивается благодаря диффузии, а затем дрейфа ионов лития в глубину кристалла германия или кремния. Под действием электрического поля и высокой температуры при изготовлении (около 400 ⁰С) ионы лития компенсируют акцепторы. Рабочей областью такого детектора будет и слой где свободные заряды отсутствуют. Чувствительная область в этих детекторах имеет большую глубину (до десятков мм.), а, следовательно, большой чувствительный объем. Поэтому их применяют в спектрометрии гамма-излучения и для регистрации бета-частиц в широком энергетическом диапазоне. Широкое применение получили германиевые детекторы, которые хранятся и эксплуатируются при температуре жидкого азота. Более удобными являются кристаллические германиевые детекторы, которые хранятся в нормальных условиях.