Напівпровідниковий детектор
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Напівпровідниковий детектор

Напівпровідниковий детектор в ядерній фізиці, прилад для реєстрації іонізуючих випромінювань, основним елементом якого є кристал напівпровідника . П. д. працює подібно іонізаційній камері з тією відмінністю, що іонізація відбувається не в газовому проміжку, а в товщі кристала. П. д. є напівпровідниковий діод, на який подана зворотна (що замикає) напруга (~ 10 2 в ). Шар напівпровідника поблизу кордону р—n -перехода ( див. Електронно-дірковий перехід ) з об'ємним зарядом «збіднений» носіями струму (електронами провідності і дірками) і володіє високим питомим електроопоом. Заряджена частка, проникаючи в нього, створює додаткові (нерівноважні) електронно-діркові пари, які під дією електричного поля «розсмоктуються», переміщаючись до електродів П. д. В результаті в зовнішньому ланцюзі П. д. виникає електричний імпульс, який далі посилюється і реєструється (см. мал.(малюнок) ).

загрузка...

  Заряд зібраний на електродах П. д., пропорційний енергії, виділеною часткою при проходженні через збіднений (чутливий) шар. Тому, якщо частка повністю гальмується в чутливому шарі, П. д. може працювати як спектрометр. Середня енергія, необхідна для утворення 1 електронно-діркової пари в напівпровіднику, мала (в Si 3,8 ев, в Ge ~ 2,9 ев ) . У поєднанні з високою щільністю речовини це дозволяє отримати спектрометр з високою роздільною здатністю (~ 0,1% для енергії ~ 1 Мев ) . Якщо частка повністю гальмується в чутливому шарі, то ефективність її реєстрації ~ 100%. Велика рухливість носіїв струму в Ge і Si дозволяє зібрати заряд за час ~10 нсек, що забезпечує високий тимчасовий дозвіл П. д.

  По-перше П. д. (1956—57) використовувалися поверхнево-бар'єрні (див. Шотки діод ) або сплавні p—n -переходи в Ge. Ці П. д. доводилося охолоджувати для зниження рівня шумів (обумовлених зворотним струмом), вони мали малу глибину чутливої області і не набули поширення. Практичне вживання отримали в 60-і рр. П. д. у вигляді поверхнево-бар'єрного переходу в Si ( мал. , а). Глибина чутливої області W в разі поверхнево-бар'єрного П. д. визначається велічиной замикає напруга V:

W = 5,3×10 -5 .

  Тут r — питомий опір напівпровідника в ом × див. Для поверхнево-бар'єрних переходів в Si з r = 10 4 ом × см при V = (1 2)10 2 в, W = 1 мм. Ці П. д. мають малі шуми при кімнатній температурі і застосовуються для реєстрації короткопробежних часток і для виміру питомих втрат енергії deldx.

  Для реєстрації дліннопробежних часток в 1970—71 були створені П. д. р—i—n -тіпа ( мал. , би). У кристал Si р -тіпа вводиться домішка Li. Іони Li рухаються в р -області переходу (під дією електричного поля) і, компенсуючи акцептори, створюють широку чутливу i -область власної провідності, глибина якої визначається глибиною дифузії іонів Li і досягає 5 мм. Такі дрейфові літієві для кремнію детектори використовуються для реєстрації протонів з енергією до 25 Мев, дейтронів — до 20 Мев, електронів — до 2 Мев і ін.

  Подальший крок в розвитку П. д. був зроблений поверненням до Ge, що володіє великим порядковим номером Z і отже, більшою ефективністю для реєстрації гамма-випромінювання . Дрейфові літієві для германію плоскі (планарниє) П. д. застосовуються для реєстрації g-квантів з енергією в декілька сотень кев. Для реєстрації g-квантів з енергією до 10 Мев використовуються коаксіальні літієві для германію детектори ( мал. , в) з чутливим об'ємом що досягає 100 см 3 . Ефективність реєстрації g-квантів з енергією < 1 Мев ~ десятків % і падає при енергіях >10 Мев до 0,1—0,01%. Для часток високих енергій, пробіг яких не укладається в чутливої області, П. д. дозволяють, окрім акту реєстрації частки, визначити питомі втрати енергії deldx, а в деяких приладах координату х частки (позиційно-чутливі П. д.).

  Недоліки П. д.: мала ефективність при реєстрації g-квантів великих енергії; погіршення роздільної здатності при завантаженнях > 10 4 часток в сік; кінцевий час життя П. д. при високих дозах опромінення із-за накопичення радіаційних дефектів (див. Радіаційні дефекти в кристалах ) . Крихта розмірів доступних монокристалів (діаметр ~ 3 см, об'єм ~ 100 см 3 ) обмежує вживання П. д. у ряді областей.

  Подальший розвиток П. д. пов'язано із здобуттям «надчистих» напівпровідникових монокристалів великих розмірів і з можливістю використання Gaas, SIC, Cdte (див. Напівпровідникові матеріали ) . П. д. широко застосовуються в ядерній фізиці, фізиці елементарних часток, а також в хімії, геології, медицині і в промисловості.

  Літ.: Напівпровідникові детектори ядерних часток і їх вживання, М., 1967; Дірнлі Дж., Нортроп Д., Напівпровідникові лічильники ядерних випромінювань, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1966; Напівпровідникові детектори ядерного випромінювання, в збірці: Напівпровідникові прилади і їх вживання, ст 25, М., 1971 (Авт.: Ривкин С. М., Матвєєв О. А., Новіков С. Р., Строкан Н. Би.).

  А. Р. Беда. Ст С. Каптанів.

Напівпровідникові детектори; штрихуванням виділена чутлива область; n — область напівпровідника з електронною провідністю, р — з дірковою, i — з власною провідністю; а — кремнієвий поверхнево-бар'єрний детектор; би — дрейфовий літієвий для германію планарний детектор; у — літієвий для германію коаксіальний детектор.