Полупроводниковый детектор

Полупроводнико́вый детектор

В ядерной физике, прибор для регистрации ионизирующих излучений (См. Ионизирующие излучения), основным элементом которого является кристалл полупроводника (См. Полупроводники). П. д. работает подобно ионизационной камере (См. Ионизационная камера) с тем отличием, что ионизация происходит не в газовом промежутке, а в толще кристалла. П. д. представляет собой Полупроводниковый диод, на который подано обратное (запирающее) напряжение (~ 10² в). Слой полупроводника вблизи границы р—n-перехода (см. Электронно-дырочный переход) с объёмным зарядом «обеднён» носителями тока (электронами проводимости и дырками) и обладает высоким удельным электросопротивлением. Заряженная частица, проникая в него, создаёт дополнительные (неравновесные) электронно-дырочные пары, которые под действием электрического поля «рассасываются», перемещаясь к электродам П. д. В результате во внешней цепи П. д. возникает электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется (см. рис.).

Заряд, собранный на электродах П. д., пропорционален энергии, выделенной частицей при прохождении через обеднённый (чувствительный) слой. Поэтому, если частица полностью тормозится в чувствительном слое, П. д. может работать как спектрометр. Средняя энергия, необходимая для образования 1 электронно-дырочной пары в полупроводнике, мала (у Si 3,8 эв, у Ge ~ 2,9 эв). В сочетании с высокой плотностью вещества это позволяет получить спектрометр с высокой разрешающей способностью (~ 0,1% для энергии ~ 1 Мэв). Если частица полностью тормозится в чувствительном слое, то эффективность её регистрации ~ 100%. Большая подвижность носителей тока в Ge и Si позволяет собрать заряд за время ~10 нсек, что обеспечивает высокое временное разрешение П. д.

В первых П. д. (1956—57) использовались поверхностно-барьерные (см. Шотки диод) или сплавные p—n-переходы в Ge. Эти П. д. приходилось охлаждать для снижения уровня шумов (обусловленных обратным током), они имели малую глубину чувствительной области и не получили распространения. Практическое применение получили в 60-е гг. П. д. в виде поверхностно-барьерного перехода в Si (рис., а). Глубина чувствительной области W в случае поверхностно-барьерного П. д. определяется величиной запирающего напряжения V:

W = 5,3․10^-5 .

Здесь ρ — удельное сопротивление полупроводника в ом․см. Для поверхностно-барьерных переходов в Si c ρ = 10⁴ ом․см при V = (1— 2)10² в, W = 1 мм. Эти П. д. имеют малые шумы при комнатной температуре и применяются для регистрации короткопробежных частиц и для измерения удельных потерь энергии dEldx.

Для регистрации длиннопробежных частиц в 1970—71 были созданы П. д. р—i—n-типа (рис., б). В кристалл Si р-типа вводится примесь Li. Ионы Li движутся в р-области перехода (под действием электрического поля) и, компенсируя акцепторы, создают широкую чувствительную i-область собственной проводимости, глубина которой определяется глубиной диффузии ионов Li и достигает 5 мм. Такие дрейфовые кремний-литиевые детекторы используются для регистрации протонов с энергией до 25 Мэв, дейтронов — до 20 Мэв, электронов — до 2 Мэв и др.

Дальнейший шаг в развитии П. д. был сделан возвращением к Ge, обладающему большим порядковым номером Z и, следовательно, большей эффективностью для регистрации гамма-излучения (См. Гамма-излучение). Дрейфовые германий-литиевые плоские (планарные) П. д. применяются для регистрации γ-квантов с энергией в несколько сотен кэв. Для регистрации γ-квантов с энергией до 10 Мэв используются коаксиальные германий-литиевые детекторы (рис., в) с чувствительным объёмом достигающим 100 см³. Эффективность регистрации γ-квантов с энергией < 1 Мэв ~ десятков % и падает при энергиях >10 Мэв до 0,1—0,01%. Для частиц высоких энергий, пробег которых не укладывается в чувствительной области, П. д. позволяют, помимо акта регистрации частицы, определить удельные потери энергии dEldx, а в некоторых приборах координату х частицы (позиционно-чувствительные П. д.).

Недостатки П. д.: малая эффективность при регистрации γ-квантов больших энергии; ухудшение разрешающей способности при загрузках > 10⁴ частиц в сек; конечное время жизни П. д. при высоких Дозах облучения из-за накопления радиационных дефектов (см. Радиационные дефекты в кристаллах). Малость размеров доступных монокристаллов (диаметр ~ 3 см, объём ~ 100 см³) ограничивает применение П. д. в ряде областей.

Дальнейшее развитие П. д. связано с получением «сверхчистых» полупроводниковых монокристаллов больших размеров и с возможностью использования GaAs, SiC, CdTe (см. Полупроводниковые материалы). П. д. широко применяются в ядерной физике, физике элементарных частиц, а также в химии, геологии, медицине и в промышленности.

Лит.: Полупроводниковые детекторы ядерных частиц и их применение, М., 1967; Дирнли Дж., Нортроп Д., Полупроводниковые счетчики ядерных излучений, пер. с англ., М., 1966; Полупроводниковые детекторы ядерного излучения, в сборнике: Полупроводниковые приборы и их применение, в. 25, М., 1971 (Авт.: Рывкин С. М., Матвеев О. А., Новиков С. Р., Строкан Н. Б.).

А. Г. Беда. В. С. Кафтанов.

Полупроводниковые детекторы; штриховкой выделена чувствительная область; n — область полупроводника с электронной проводимостью, р — с дырочной, i — с собственной проводимостями; а — кремниевый поверхностно-барьерный детектор; б — дрейфовый германий-литиевый планарный детектор; в — германий-литиевый коаксиальный детектор.