25. Твердотельные полупроводниковые детекторы

25. Твердотельные полупроводниковые детекторы

Проводимость означает способность вещества проводить электрический ток, а материалы, имеющие хорошую проводимость (например, металлы) называются проводниками. Материалы, обладающие слабой проводимостью (например, дерево) называются диэлектриками.  Полупроводники – это вещества, имеющие свойства где-то между этими двумя типами материалов и несмотря на то, что существует множество веществ с полупроводниковыми свойствами, наиболее часто используемыми для регистрации ионизирующего излучения являются кристаллы кремния и германия.

Твердотельные полупроводниковые детекторы названы так, потому что они состоят из кристаллов полупроводников. Когда ионизирующее излучение падает на кристалл, общая проводимость материала возрастает. Измеряя это увеличение, можно связать его с интенсивностью падающего излучения.

2.2.1     Как они работают

Для понимания того, как работают твердотельные полупроводниковые детекторы, необходимо рассмотреть взаимодействие ионизирующего излучения с полупроводниковыми материалами в микроскопическом масштабе. Как Вы помните из Модуля 1.1 «Структура материи», электроны в атомах могут находиться лишь на определенных энергетических уровнях. В кристаллах, эти энергетические уровни называют энергетическими зонами. Эти энергетические зоны отделяются областью, называемой запрещенной зоной, а наивысшая энергетическая зона, в которой обычно находятся электроны, называется валентной зоной.

Ионизирующее излучение может передать электрону полупроводникового кристалла достаточно энергии для перехода с основного энергетического уровня (в валентной зоне) через  запрещенные уровни (в запрещенной зоне) в более высокое энергетическое состояние (называемое зоной проводимости). Когда это происходит, электрон оставляет вакансию (или дырку) в валентной зоне (смотрите Рисунок 8).

Образование электрон-дырочной пары под действием ионизирующего излучения

Переход электрона в зону проводимости называется ионизацией и в результате образуется электрон-дырочная пара, аналогичная ионной паре в газонаполненном детекторе. Таким же образом, как и положительный и отрицательный ионы движутся между электродами в газонаполненном детекторе, ионная пара будет «передвигаться» в твердотельном детекторе, если будет приложено электрическое напряжение. Это движение производит импульс во внешней цепи, который может быть измерен.

Отметьте, что в действительности положительно заряженные дырки не может двигаться в кристаллическом твердом теле. На самом деле происходит следующее: дырки заполняются соседними электронами, которые движутся в противоположном направлении, оставляя позади новые дырки. Таким образом, кажется, что перемещаются дырки.

Твердотельные полупроводниковые детекторы состоят из полупроводника с увеличенной проводимостью. В общем, проводимость улучшена путем введения примесей в полупроводниковый материал. Этот процесс называется легирование, а введенные примеси обуславливают избыточное количество электронов или дырок. Если примесь обеспечивает увеличение числа электронов в валентной зоне (например, в случае добавления мышьяка или фосфора), то эти слабо связанные электроны могут переходить в зону проводимости, получая достаточно незначительную долю энергии, от энергии регистрируемого ионизирующего излучения. В таком материале главный механизм проводимости – это движение отрицательных зарядов, а материал называется полупроводником n-типа. Если примесь обеспечивает избыточное число дырок в валентной зоне (например, в случае введения бора или галлия), тогда основной механизм проводимости – это движение положительных дырок, а материал называется полупроводником p-типа.

Твердотельные полупроводниковые детекторы обычно состоят из материалов p- и n-типов, соединенных вместе. Электрическое напряжение приложено поперек так, что дырки и электроны движутся от места соединения. Область вокруг соединения свободна от дырок и электронов и называется обедненным слоем. Этот обедненный слой – это та часть материала детектора, которая зарегистрирует падающее излучение (смотрите Рисунок 9).

Схема твердотельного полупроводникового детектора

При прохождении ионизирующего излучения через обедненный слой образуются электрон-дырочные пары. Электроны и дырки движутся в противоположных направлениях, вызывая импульс тока во внешней цепи. Этот импульс затем может быть измерен. Таким образом, обедненный слой формирует чувствительный объем твердотельного полупроводникового детектора, что эквивалентно камере в газонаполненном детекторе.

2.2.2     Типы детекторов

Существует множество типов твердотельных полупроводниковых детекторов, используемых для регистрации ионизирующего излучения. В этом модуле рассматриваются следующие типы твердотельных полупроводниковых детекторов:

  • Диффузные детекторы;
  • Поверхностно-барьерные детекторы;
  • Детекторы с ионной имплантацией;
  • Литий-дрейфовые детекторы; и
  • Детекторы из особо чистого германия.

2.2.2.1     Диффузные детекторы

В диффузных детекторах примесь p-типа внедряют за счет диффузии или распыления в материал n-типа. Это создает обедненный слой сразу под поверхностью кристалла (обычно на глубине около 1мкм от поверхности), как показано на Рисунке 10. Поверхностный слой представляет собой мертвый слой или окно, через которое излучение должно пройти перед попаданием в чувствительный объем.

Принципиальная схема диффузного детектора

Это окно может являться недостатком при спектроскопии заряженных частиц, так как некоторые частицы с низкой энергией не будут зарегистрированы. Чтобы избежать этого, в спектроскопии заряженных частиц диффузные детекторы были заменены поверхностно-барьерными (смотрите раздел 2.2.2.2). Однако, диффузные детекторы (выполненные из кремния или германия) все еще используются для регистрации заряженных частиц, так как они более надежны, чем поверхностно-барьерные детекторы.

Недавно было открыто другое практическое применение кремниевых диффузных детекторов. Эти детекторы (часто упоминаемые как кремниевые pin-фотодиоды) могут быть встроены в электронные дозиметры (смотрите Рисунок 11) для измерения дозы гамма-излучения, полученного человеком в течение длительного времени (то есть для измерения индивидуальной дозы гамма-излучения).

Рисунок  11

Электронный дозиметр, содержащий кремниевый pin-фотодиод

Отметим, что электронные дозиметры изготавливаются также и с детекторами Гейгера-Мюллера. Главное преимущество использования твердотельного полупроводникового детектора в том, что такой прибор значительно легче.

2.2.2.2     Поверхностно-барьерные детекторы

Поверхностно-барьерные детекторы имеют очень тонкий слой материала p-типа, нанесенного на поверхность материала n-типа (смотрите Рисунок 12). Падающее излучение должно пройти через этот слой, чтобы достичь чувствительного объема, так как слой в этом типе детектора тонкий, заряженные частицы легко могут быть зарегистрированы.

Принципиальная схема поверхностно-барьерного детектора

Будучи чрезвычайно эффективными для регистрации заряженных частиц, поверхностно-барьерные детекторы также подходят для определения энергии падающего излучения (т.к. они обладают хорошим энергетическим разрешением). Например, поверхностно-барьерные детекторы могут разделить три близких группы альфа-частиц Am-241 с энергиями 5.486,  5.443 и 5.389 МэВ.

Одна из основных трудностей, связанных с поверхностно-барьерными детекторами, является то, что поверхность кристалла должна содержаться в чистоте и быть свободной от жира и других посторонних веществ. Они также очень чувствительны к свету, так как фотоны света могут попадать в чувствительный объем и образовывать электрон-дырочные пары.

2.2.2.3     Детекторы с ионной имплантацией

Альтернативный метод введению примесей на поверхность полупроводника – это подвергнуть поверхность облучению пучком ионов, испущенных ускорителем. Например, кристалл кремния, после облучения ионами бора, имеет слой материала p-типа, сформированный близко к поверхности. Этот метод изменения структуры полупроводника называют ионной имплантацией, он дает наиболее прочный кристалл, который устойчив к воздействию окружающей среды. Этот тип детекторов имеют высокие прочностные характеристики, и они могут производиться с тонким входным окном для регистрации альфа и бета излучений.

Детекторы с ионной имплантацией находят широкое применение, включая альфа-спектроскопию, регистрацию низкоэнергетического бета-излучения и тяжелых ионов.

2.2.2.4     Литий-дрейфовые детекторы

Поверхностно-барьерные детекторы и детекторы с ионной имплантацией хорошо подходят для спектроскопии заряженных частиц, однако из-за введенных в полупроводниковый кристалл примесей, у них недостаточно большой чувствительный объем для спектроскопии фотонов (то есть гамма и рентгеновского излучений) Чтобы нейтрализовать эффект, вызванный такими примесями, полупроводники могут содержать добавки лития, что увеличивает чувствительный объем. Область между материалами p- и n-типов называется литий-дрейфовой или областью собственной электропроводности, а размер этой области определяет чувствительный объем детектора (смотрите Рисунок 13).

Отметим, что добавление лития в полупроводник, как полагают, обеспечивает намного больший чувствительный объем, однако в реальности размер детектора очень мал. Это означает, что преимуществом этого типа твердотельных полупроводниковых детекторов является то, что размеры такого детектора могут быть намного меньше, чем у соответствующего газонаполненного детектора.

Принципиальная схема литий-дрейфового детектора

Если литий добавляется в кристалл германия, то детектор называется литий-дрейфовым германиевым (или Ge(Li)) детектором. При комнатной температуре атомы лития продолжают диффундировать в кристалл германия, изменяя основные свойства области собственной электропроводности, поэтому важно, чтобы Ge(Li) детектор всегда содержался при низкой температуре (используя жидкий азот), даже если он не используется. Литий-дрейфовые германиевые детекторы эффективны для регистрации гамма-излучения и обладают отличным энергетическим разрешением.

Литий-дрейфовые кремниевые (или Si(Li)) детекторы, как видно из названия, состоят из лития, введенного в кремниевый кристалл. Эти Si(Li) детекторы очень похожи на Ge(Li) детекторы, однако их преимущество в том, что их можно хранить при комнатной температуре, не нанося ущерба кристаллу. Они могут работать при комнатной температуре, но их характеристики заметно улучшаются, если их предварительно охладить жидким азотом. Кремний имеет меньший атомный номер, чем германий, поэтому вероятность взаимодействия с гамма-излучением ниже. Поэтому при регистрации гамма-излучения литий-дрейфовые кремниевые детекторы менее эффективны, чем литий-дрейфовые германиевые. Однако, они являются хорошими детекторами для гамма-излучения низкой энергии (меньше 150 кэВ), рентгеновского излучения и бета частиц.

2.2.2.5     Детекторы из особо чистого германия

Чистый германий обладает высокой эффективностью регистрации гамма-излучения. Поэтому, если в кристалле германия содержится мало примесей, возможно получить обедненный слой (чувствительный объем), сравнимый с таковым в Ge(Li) детекторе. Этот тип детектора называется детектором из особо чистого германия (или ОЧГ детектором) (смотрите Рисунок 14).

Типичный вид детектора из особо чистого германия

Как и Ge(Li) детектор, ОЧГ детектор служит эффективным гамма-детектором с превосходным энергетически разрешением. Оба детектора требуют охлаждения жидким азотом для эффективного функционирования, но преимуществом ОЧГ детектора является то, что он может храниться при комнатной температуре, если не используется.

2.2.3     Резюме по твердотельным полупроводниковым детекторам

В таблице 3 обобщены данные о различных твердотельных полупроводниковых детекторах.

Таблица  3

Твердотельные полупроводниковые детекторы

Детектор Основное применение Преимущества Недостатки
Диффузный детектор Регистрация заряженных частиц
  • Более прочный, чем поверхностно-барьерный
  • Низкоэнергетические частицы не регистрируются
Кремниевый pin-фотодиод Регистрация фотонов
  • Легкий
Поверхностно-барьерный Альфа и бета спектроскопия
  • Эффективен при регистрации заряженных частиц
  • Очень хорошее энергетическое разрешение
  • Поверхность детектора должна содержаться чистой
  • Очень чувствителен к свету
Детекторы с ионной имплантацией Альфа спектроскопияКонтроль низкоэнергетических бета-частиц
  • Малая вероятность воздействия окружающей среды
  • устойчив к воздействию окружающей среды
Литий-дрейфовый германиевый Ge(Li) Гамма-спектроскопия
  • Эффективный детектор гамма-излучения
  • Отличное энергетическое разрешение
  • Должен постоянно содержаться при температуре жидкого азота
Литий-дрейфовый кремниевый Si(Li) Бета, гамма и рентгеновская спектроскопия
  • Хорошие детекторы для низкоэнергетического гамма-излучения (< 150 кэВ), рентгеновского и бета-излучений
  • Может работать при комнатной температуре
  • Меньшая вероятность взаимодействия с гамма-излучением, чем Ge(Li) детекторов
  • Во время работы должен охлаждаться жидким азотом
Детекторы из особо чистого германия (ОЧГ) Гамма-спектроскопия
  • Эффективные детекторы для гамма-излучения
  • Отличное энергетическое разрешение
  • Если не используется, может храниться при комнатной температуре
  • Во время работы должен охлаждаться жидким азотом