Флуктуации числа собранных носителей
Сбор носителей, возникших при пролете через чувствительный объем детектора заряженной частицы, никогда не бывает полным, поскольку время жизни носителей относительно рекомбинации конечно. Кроме полного исчезновения носителей в результате рекомбинации они могут быть временно захвачены ловушками, а затем через некоторое время покидать их и снова принимать участие в проводимости. При бесконечно большом времени сбора уменьшение числа носителей, достигших электродов счетчика, будет связано только с рекомбинацией. Если же постоянная времени входа усилителя меньше среднего времени удержания носителей в ловушках, то возникнут дополнительные флуктуации величины сигнала.
Время жизни носителей в большой степени зависит от способа приготовления и свойств компенсированного германия и кремния, а время сбора носителей – функция d и U, но если плотность носителей небольшая (заряженная частица, создавшая носители, образовала трек с малой плотностью ионизации), то флуктуации, возникающие в процессе сбора носителей, можно не учитывать. Однако, если заряженная частица создала трек с большой плотностью ионизации, то время сбора носителей может возрасти, так как вблизи трека вследствие экранировки напряженность электрического поля падает, а, следовательно, падает и скорость дрейфа носителей. Кроме того, большая плотность носителей приводит к увеличению вероятности рекомбинации, т.е. уменьшается их среднее время жизни. Эти эффекты могут привести к тому, что при регистрации сильно ионизирующих частиц (осколков деления, например) энергетическое разрешение детектора определится флуктуациями числа собранных носителей. Рассчитать или даже оценить количественно этот эффект практически невозможно.
Флуктуации в числе собранных носителей возникают и из-за неоднородных свойств полупроводникового кристалла. Разные области полупроводника характеризуются разными τr, следовательно, разной эффективностью сбора носителей. При регистрации γ-квантов, которые создают электроны приблизительно равномерно во всем объеме детектора, влияние неоднородностей несколько меньше из-за усреднения τr по всему объему, при регистрации короткопробежных частиц, поступающих в детектор извне, роль неоднородностей больше.
Рассмотренные источники разброса амплитуд сигналов вокруг среднего – статистика образования носителей, шумы детектора, флуктуации числа собранных носителей – не исчерпывают всех причин уширения формы линии детектора. Энергетическое разрешение полупроводникового детектора зависит также:
а) от шумов усилителя;
б) от нестабильности усилителя, т.е. неконтролируемого во времени изменения энергетической шкалы детектора;
в) от наложения импульсов друг на друга при больших скоростях счета;
г) от малого числа каналов в амплитудном анализаторе (детектор с энергетическим разрешением, равным 0,1%, предполагает использование анализатора, по крайней мере, с 4000 каналами).
Расчет и экспериментальное определение каждого источника энергетического разброса – это сложная и неоднозначная процедура. В лучших детекторах суммарная неопределенность от всех источников, кроме флуктуации в числе образованных первичной частицей пар носителей, составляет несколько килоэлектронвольт, т.е. меньше статистической, если в детекторе поглощено больше 2…3 Мэв энергии. Для примера на рис. 3.8 приведены результаты измерения энергетического разрешения германиевого р-i-п-детектора.
Рис. 3.8. Энергетическое разрешение германиевого детектора с р- i-n-переходом
Детектор облучался γ-квантами от различных радиоактивных источников. Энергетическое разрешение определялось по пику полного поглощения. Заметим, что статистические флуктуации в числе образованных пар носителей становятся определяющими, начиная с энергий порядка 2…3 Мэв.