Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Физические характеристики кремния и германия

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 g - 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 g - 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 нечувст

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 r, равна

x=em (rU)^1/2 /2p, (2)

где e - диэлектрическая постоянная вещества, m - подвижность основных носителей.

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

Ёмкость детектора зависит от толщины обеднённого слоя и равна

C = eS /4p 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 r и U, а также пробеги a - и b - частиц и g - 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 g- 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 g -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 (D 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 g - лучей (радиационные детекторы).