Физические характеристики кремния и германия

Характеристика	Si	Ge
1	2	3
Атомный номер Атомная масса Плотность при 300 К, г см3 Диэлектрическая постоянная Ширина щели при 300 оК, эВ Энергия ионизации, эВ	14 28,06 2,33 12 1,106 3,66	32 72,60 5,33 16 0,67 2,96
1	2	3
Плотность собственных носителей при 300 оК, см - 3 Подвижность электронов при 300 оК, см2(Вс) Подвижность дырок при 300 оК, см2(Вс) Подвижность электронов при 77 оК, см2(Вс) Подвижность дырок при 77 оК, см2(Вс) Собственное удельное сопротивление при 300 оК, Омсм Собственное удельное сопротивление при 77 оК, Омсм	1,51010 1350 480 4104 1,8104 3105 -	2,41013 3900 1900 3,6104 4,2104 50 5104

Важной характеристикой образца Si или Ge является его чистота. В настоящее время могут быть получены кристаллы Si и Ge, концентрация примесных атомов в которых составляет 10¹²…10¹³ атом см³.

Действие полупроводниковых детекторов аналогично действию ионизационных камер. Ионизирующая частица, попавшая в детектор, производит пары электрон – дырка, которые собираются электрическим полем, приложенным к электродах детектора. Величина соответствующего электрического импульса пропорциональна энергии, потерянной частицей или  - квантом в детекторе. Важно, чтобы детектор собрал все образовавшиеся в нём заряды. Процесс сбора заряда в полупроводниковом детекторе сложнее, чем в ионизационной камере.

Детекторы имеют ряд существенных преимуществ перед камерами:

1. Энергия, необходимая для получения одной пары носителей в детекторе, гораздо меньше (2,96 эВ в Ge и 3,66 эВ в Si), чем в газах, заполняющих камеры (30 эВ), поэтому число образовавшихся пар в детекторе соответственно больше и оно меньше подвержено статическим флуктуациям.

2. Плотность материала полупроводникового детектора гораздо больше, чем плотность газов, заполняющих ионизационные камеры. Поэтому даже небольшие детекторы могут регистрировать частицы высоких энергий и  - кванты.

3. Время нарастания электрического импульса в детекторах значительно меньше, чем в ионизационных камерах, так как подвижность носителей в полупроводнике гораздо больше, чем подвижность ионов и электронов в камерах.

Однако полупроводниковые детекторы имеют сравнительно небольшое удельное сопротивление даже при температуре жидкого азота (77 ^оК) Например, образцы кремния р-типа с концентрацией примесных атомов 10¹³ см^–3 имеют удельное сопротивление 1400 Омсм. Это приводит к большой силе тока уже при небольшом приложенном напряжении и регистрация слабых импульсов от ионизации затрудняется. Для повышения удельного сопротивления детекторов были разработаны различные методы уменьшения числа носителей, вызванных наличием примесей в Si и Ge.Эти методы основаны на создании в детекторе р-n-перехода с малым количестве носителей.

Появились два основных типа детекторов:

1. диффузные и поверхностно-барьерные детекторы;

2. дрейфовые детекторы.

Диффузные детекторы. Рассмотрим распределение зарядов в полупроводнике, в котором имеются две граничащие области n- и р-типа. При тепловом равновесии электроны находятся в n-области, где они компенсируют пространственный заряд доноров, а дырки сосредоточены главным образом в р-области, где они нейтрализуют заряд акцепторов. Между р- и n-областями образуется двойной электрический слой, который создаёт электрический потенциал, препятствующий проникновению носителя из одной области в другую. Приложенное обратное напряжение смещает свободные носители из области перехода и там образуется слой, обеднённый носителями. В диффузных детекторах n–р - переход расположен вблизи от поверхности кристалла и частице не надо проходить через толстый нечувств ительный слой вещества. Схема диффузионного детектора показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема диффузионного детектора

В качестве n- примеси в диффузных детекторах применяют фосфор, который наносят на поверхность кремния р-типа. Тонкий слой фосфора с избытком компенсируют р-проводимость и на расстоянии, равном толщине диффузии, образуется n-р - переход. Приложенное обратное смещение создаёт объёмный слой толщиной  1 мм. Можно создавать n-р - переход путём диффузии р-материала (например В или Ga) в кристалле n-типа.

Глубина обеднённого слоя, полученного при положении обратного смещения U к образцу с удельным сопротивлением , равна

x=U^1/2 /2 (2)

где  - диэлектрическая постоянная вещества,  - подвижность основных носителей.

Для Si n-типа x=5,3(U)^1/2 10^-5 cм (ρ, Омсм; U,B).

Ёмкость детектора зависит от толщины обеднённого слоя и равна

C=S/4x. (3)

Как видно из формул (2) и (3), толщина обеднённого слоя зависит от удельного сопротивления материала, которое определяется количеством примесей. Существуют номограммы, по которым можно определить толщину обеднённого слоя и ёмкость детектора, если известно  и U, а также пробеги - и  - частиц и - квантов в обеднённом слое. Благоприятным фактором при изготовлении детекторов является то, что процесс диффузии фосфора в кремнии хорошо изучен, и им легко управлять.

Поверхностно – барьерные детекторы похожи на диффузные. Они изготовляются следующим образом: на поверхности материала n-типа создаётся (обычно травлением) р-слой. Затем на поверхность наносят тонкий слой золота. Известно, что когда металл находится в контакте с полупроводником, то на их границе возникает электростатический барьер, препятствующий проникновению носителей из полупроводника в металл, и обратно. При приложении обратного напряжения к границе металл – проводник возникает обеднённый носителями слой, толщина которого может быть доведена до нескольких миллиметров (в Si). Поверхностно – барьерные детекторы могут быть изготовлены на основе Si или Ge, но в случае Ge они используются только при температуре жидкого азота (Т= 77 ^оК), ввиду большой величины тока утечки при комнатной температуре. Детекторы на основе Si используется при Т=300 ^оК.

Дрейфовые детекторы. Толщина чувствительного слоя диффузных и поверхностно – барьерных детекторов ограничена удельным сопротивлением применяемых материалов. Однако для регистрации - квантов и частиц с высокой энергией, ионизирующая способность которых мала, оба рассмотренные выше типа детекторов непригодны. Для получения больших объёмов, обеднённых носителями, Пелл в 1960 г. предложил способ компенсации примесных носителей ионами лития. Ионы лития, которые являются донорами, сравнительно легко диффундируют в Si и Ge и компенсируют акцепторы в материале р - типа. Толщина обеднённого слоя в таком детекторе зависит от условий дрейфа (температуры, напряжения, приложенного к образцу и т.д.). В настоящее время получены большие кристаллы Ge(Li) с объёмом чувствительного слоя  100 см³ . Эффективность таких детекторов для регистрации -лучей сравнима с эффективностью сцинтилляционных кристаллов. На рис. 2 приведен диффузионно-дрейфовый Ge(Li) полупроводниковый детектор типа ДГДК-80 с хладопроводом и сосудом Дьюара.

Из-за больших расстояний, которые проходят носители в больших кристаллах, увеличивается время нарастания импульса и возрастает вероятность захвата носителей в ловушки. Для уменьшения этих эффектов к большим кристаллам надо прикладывать высокое напряжение (U  2 кВ). В кристаллах больших размеров становятся заметными токи утечки. Для их уменьшения детекторы охлаждают до температуры жидкого азота. Хранить дрейфовые детекторы необходимо при низкой температуре, иначе происходит потеря компенсации из-за диффузии лития из обеднённого слоя. Si(Li)-детекторы, в отличие от Ge(Li)- детекторов, могут использоваться при комнатной температуре, однако при этом повышается уровень шумов и ухудшается энергетическое разрешение. Следует отметить, что Ge(Li) детекторы с большим объёмом (20…100 см³) чувствительного слоя получены в виде цилиндров с центральной частью из материала р-типа. На внешние области цилиндра наносят лития и после дрейфа лития в глубь образца получают детектор с большим объёмом скомпенсированной области. Такие детекторы называются коаксиальными.



Рис. 2. Диффузионно-дрейфовый Ge(Li) полупроводниковый детектор типа ДГДК-80

Дрейфовые, диффузные и поверхностно–барьерные детекторы являются основными типами полупроводниковых приборов, используемых для регистрации ядерных излучений. Кроме них существуют специальные типы детекторов, которые используются для решения отдельных задач (Е - детекторы, детекторы места попадания частиц, детекторы с внутренним усилением и т.п.). Существуют также другие методы компенсаций носителей, например, обеднённый носителями слой может быть получен путём облучения образца потоком нейтронов или  - лучей (радиационные детекторы).