ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР

Прибор для регистрации ч-ц, осн. элементом к-рого явл. кристалл полупроводника. Регистрируемая ч-ца, проникая в кристалл, генерирует в нём дополнит. (неравновесные) электронно-дырочные пары. Носители заряда (электроны и дырки) под действием приложенного электрич. поля «рассасываются», перемещаясь к электродам П. д. В результате во внеш. цепи П. д. возникает электрич. импульс, к-рый далее усиливается и регистрируется (рис.). Для достижения достаточно высокой чувствительности необходимо, чтобы в отсутствии регистрируемых ч-ц полупроводник был обеднён носителями, т. е. имел миним. электропроводность.

Рис. Полупроводниковые детекторы (штриховкой выделена чувствит. область): n — область полупроводника с электронной проводимостью; p — с дырочной; г — с собств. проводимостью; а — кремниевый поверхностно-барьерный детектор; б — планарный диффузионно-дрейфовый германиевый детектор; в — коаксиальный диффузионно-дрейфовый Ge(Li)-детектор.

Это достигается использованием p — n-перехода, на к-рый подают обратное (запирающее) напряжение V. Слой полупроводника вблизи границы p — n-перехода, обеднённый носителями заряда и обладающий высоким уд. электросопротивлением r, явл. чувствит. слоем П. д. Глубина чувствит. слоя W=0,5?rV (W в мкм, r в Ом•см, V в В). Остальная часть кристалла полупроводника образует нечувствительный (мёртвый) слой.

Заряд, собранный на электродах П. д., пропорц. энергии, выделенной ч-цей при прохождении через чувствит. слой. Поэтому, если ч-ца полностью тормозится в нём, П. д. может работать как спектрометр. Ср. энергия, необходимая для образования одной электронно-дырочной пары, в полупроводнике мала (у Si — 3,8 эВ, у Ge — 2,9 эВ). В сочетании с высокой плотностью в-ва это позволяет получить высокую разрешающую способность по энергии D?/?, достигающую =1% при ?=10 кэВ и =0,1% при ?=1000 кэВ. Если ч-ца полностью тормозится в чувствит. слое, то эффективность её регистрации =100%. Большая подвижность носителей тока в Ge и Si позволяет быстро собирать заряд на электродах за время =10-8 с, что обеспечивает высокое временное разрешение П. д.

Высокое энергетич. разрешение П. д. может быть достигнуто лишь при охлаждении детекторов до темп-ры жидкого азота, т. к. из-за малой ширины запрещённой зоны в Si и Ge даже в случае собств. проводимости концентрация свободных носителей при комнатной темп-ре велика. Кроме того, при охлаждении существенно увеличивается подвижность носителей, благодаря чему обеспечивается более полный их сбор на электродах. В связи с этим П. д. обычно размещают в криостатах, в к-рых поддерживается вакуум =10-6 мм рт. ст.

В П. д. используются т. н. поверхностно-барьерные (сплавные) переходы (W=1 — 2 мм, мёртвый слой =0,1 — 2 мкм) и диффузионные переходы. Введение примеси Li в Ge и Si (ионы Li захватывают носители и уменьшают проводимость) увеличивает W для плоских (п л а н а р н ы х) П. д. до 15 мм (диффузионно-дрейфовые П. д., имеющие pin-структуру) и позволяет создавать коаксиальные дрейфовые германиевые П. д. с примесью Li (Ge(Li)) с рабочим объёмом =200 см3 для регистрации жёстких g-квантов (??1МэВ). Из «сверхчистого» Ge (концентрация примесей =10-10 в 1 см3), сопротивление к-рого близко к собственному, также изготавливают планарные П. д. площадью ок. 19 см2 и W»16 мм и коаксиальные П. д. объёмом до 75 см3.

Для обеднения носителями в П. д. используется также предварит. облучение кристалла g-квантами. Образующиеся радиационные дефекты явл. ловушками для носителей (радиационные П. д.). Поверхностно-барьерные и диффузионные кремниевые П. д. обладают миним. толщиной мёртвого слоя (от десятых долей мкм до неск. мкм). Их используют для спектрометрии осколков деления атомных ядер, a-частиц с энергиями ?20 МэВ, протонов с энергиями ?5 МэВ и электронов с энергиями ?200 кэВ. В этом случае пробег ч-ц ещё полностью укладывается в чувствит. слое П. д. Однако П. д. используются также для спектрометрии ч-ц более высоких энергий, когда пробег ч-ц больше глубины обеднённой области. При этом с помощью П. д. определяют удельные ионизац. потери энергии ч-ц или их координаты с пространств. разрешением до 50 мкм (позиционно-чувствительные П. д.).

Для спектрометрии мягкого рентг. излучения обычно используют диффузионно-дрейфовые П. д. из кремния с примесью лития, а также германиевые П. д. Для спектрометрии g-квантов применяют коаксиальные диффузионно-дрейфовые П. д. из Ge(Li) и из сверхчистого Ge. Применяют также полупроводники с большой шириной запрещённой зоны ?g (CdTe с ?g=1,5 эВ и HgI с ?g=2,l эВ). Однако из-за большей ср. энергии образования пары электрон — дырка их энергетич. разрешение хуже, чем в случае Ge и Si.

В процессе работы в П. д. происходит накопление радиац. дефектов в его чувствит. объёме, в результате чего его спектрометрич. св-ва ухудшаются. Предельные потоки для быстрых нейтронов 1012—1013 см-2, для a-частиц 1010 см-2, для электронов с энергией 2—5 МэВ 1013—1014 см-2, для g-квантов больше 108 рад.