Полупроводниковые детекторы радиоактивности

Наилучшей разрешающей способностью среди современных детекторов ради­ационных излучений обладают полупроводниковые датчики. В полупровод­никовых материалах основ­ными носителями информации являются пары элек­трон-дырка, создаваемые вдоль траектории полета заряженной частицы через детектор. Заряженная частица может быть либо первичным излучением, либо вторичной частицей. Пары электрон-дырка в некотором отношении являются аналогами ионных пар в газовых детекторах. Когда к полупроводниковому ма­териалу прило­жено электрическое поле, созданные носители зарядов начина­ют перемещаться в определен­ных направлениях, что означает возникновение электрического тока. Датчики, построенные на этом принципе, называются твердотельными или полупроводниковыми диодными детекто­рами. Принцип действия таких детекторов аналогичен принципу полупроводниковых детек­то­ров светового излучения. Он базируется на перемещении электронов с од­ного энергетического уровня на другой при получении или потере энергии.

При прохождении заряженной частицы сквозь полупроводник по пути ее следования воз­никает много пар электрон-дырка. Про­цесс образования пар может быть как прямым, так и косвенным, при котором частица участвует в формировании электронов высоких энергий, по­степенно теряющих свою энергию на создание новых пар электрон-дырка. Интересно отметить, что вне зависимости от механизма формирования пар электрон-дыр­ка на создание одной пары первичная заряженная частица затрачивает одина­ковую среднюю энергию, которую часто по аналогии с газоразрядными детек­торами называют «энергией ионизации». Основное достоин­ство полупровод­никовых детекторов заключается в очень малой величине этой энергии. Ее значение для кремния и германия составляет порядка 3 эВ, тогда как в газовых детекторах энергия, необходимая для создания ионной пары, равна 30 эВ. Поэтому при одной и той же мощности исходного излучения в полупроводниковых детекторах возникнет в 10 раз большее количество носителей зарядов.

Для получения твердотельного детектора в полупроводниковом материа­ле необходимо сформировать, по крайней мере, два электрода. В процессе де­тектирования выводы этих элек­тродов подсоединяются к источнику напряже­ния, обеспечивающего протекание в цепи элек­трического тока. Однако на практике материалы из чистого кремния или германия не исполь­зуются, что связано с довольно больши­ми токами утечек, вызванных относительно низ­ким удельным сопротивлением этих полупро­водников (например, для крем­ния оно составляет около 50 кОм). При приложении к электро­дам такого детектора внешнего напряжения, в цепи может возникнуть ток, в 3...5 раз пре­вышающий величину тока, индуцированного излучением. Поэтому детекто­ры этого типа реа­лизуются на основе р-n переходов с обратным смещением, что позволяет значительно снизить токи утечек. Фактически, детектор явля­ется полупроводни­ковым диодом, проводящим ток (имеющим низкое удель­ное сопротивление) при подключении анода (р-зоны перехода) к поло­житель­ному выводу источника питания, а катода (n-зоны) - к отрицательному выво­ду. При об­ратном подключении ток через диод практически не течет (т.е. он обладает высоким удельным сопротивлением). При сильном обратном смеще­нии диода (значительно превышающем до­пуски производителя) происходит его пробой, что приводит к резкому увеличению тока утечки; это вызывает ка­тастрофическое ухудшение рабочих характе­ристик детектора или даже выход его из строя.

В настоящее время выпускаются кремниевые диоды нескольких конфигу­раций: диоды с диффузионным переходом, диоды с поверхностным запираю­щим слоем, ионно-имплантиро­ванные детекторы, детекторы с эпитаксиальным слоем и др. Первые два указанных типа детек­торов широко применяются при детектировании α-частиц и других слабо проникающих излуче­ний. Хорошие по­лупроводниковые детекторы радиоактивных излучений должны обес­печивать:

1. отличную передачу заряда

2. линейность между мощностью излучения и количеством пар электрон-дырка

3. отсутствие свободных носителей зарядов (низкий ток утечки)

4. генерацию максимального числа пар электрон-дырка на единицу излучения

5. высокую эффективность детектирования

6. хорошее быстродействие

7. большую зону сбора зарядов

8. низкую стоимость