Presentation6 (2 695 168 байтов)

ПОУПРОВОДНИКОВЫЕ ДЕТЕКТРЫ
Как и в газе, возникновение свободных носителей заряда в твердом теле
может быть использовано для детектирования ионизирующих излучений.
Это возможно при выполнении определенных условий.
1. tж.> tсоб. (время жизни свободных носителей больше времени собирания).
Для этого необходимы сильные поля и высокая подвижность носителей.
2. Малый фоновый ток, т.е вещество детекторов должно быть высокоомным.
3. Малая удельная энергия ионизации.
Всем этим требованиям удовлетворяют детекторы на основе
полупроводниковых материалов.
Их основными достоинствами являются:
1. Небольшая энергия образования электрон-дырочной пары. Для германия,
кремния ~ 3эв. Сравним, в газе аналогичная величина составляет ~ 30эв, для
сцинтилляционных счетчиков - ~ 300эв. Следовательно, энергетическое
разрешение у ПП-детекторов должно быть выше.
2. Значительно более высокая тормозная способность. По тормозной
способности 1мм кремния эквивалентен 1метру воздуха.
1
3. В ПП-детекторах носители заряда (электроны и дырки) имеют сравнимые
подвижности. Нет проблемы со сбором полного заряда, протекшего на выход
детектора (как это имеет место в газовых детекторах).
4. ПП-детекторы по энергетическому разрешению уступают только магнитным
спектрометрам, но они позволяют получить весь спектр одновременно, что
обеспечивает более высокую скорость набора статистики.
По принципу действия ПП-детекторы являются твердотельным
аналогом газовых ионизационных камер, т.к. информацию об
энергии частицы несет заряд, образованный этой частицей в
веществе детектора.
Для собирания этого заряда на выходе прибора нужна достаточно
протяженная область сильного электрического поля,
расположенная между двумя электродами.
Более совершенным является т.н. P-I-N диод. Он имеет
более глубокий запирающий слой и постоянную
напряженность поля.
Ширина слоя
почти не зависит
от
приложенного
напряжения
Созданы детекторы с глубиной слоя до 12мм. Благодаря этому
емкость таких детекторов даже с большой площадью (~5см2)
cоставляет ~10пф.
Энергетическое разрешение
Основным достоинством полупроводниковых детекторов
является высокое энергетическое разрешение.
Это связано с высокой плотностью вещества детектора и малой
величиной энергии ионизации w. В результате на данную
величину поглощенной энергии DW
образуется большое количество носителей заряда
N= D W/ w ; sотн. = N 1/2/N =1/N 1/2
Для: Si w=3,65эв;
Ge w=2,95эв.
Полосковые детекторы.
Основа – высокоомный Si,
обычно n-типа.
r = 1 – 3 ком/см2.
Шаг полосок – от 25 до
100мкм.
+
Ширина p -областей ~1/2 от
шага полосок.
Между n+ и p+ областями
прикладывается обратное смещение. Обычно работают
в режиме полного обеднения. В этом случае чувствительная
область равна толщине Si пластины, обычно ~300мкм.
Каждая полоска работает как отдельный p-i-n диод.
d – толщина детектора;
m - подвижность основных носителей;
Емкость полоски на общий электрод:
Характерное значение этой емкости ~0,1пф/см. Емкость между
полосками гораздо больше: ~1пф/см.
Темновой ток полоски состоит из 3-х компонент:
поверхностной, диффузной и объемной.
I пов. - определяется главным образом технологией
изготовления. В хорошем детекторе его вклад мал.
Iдиф. - связан с диффузией из p+ и n- областей
неосновных носителей, соответственно электронов
и дырок.
Для p-i-n диодов и t < 1000 этот ток очень мал.
Iоб. - объемный генерационно – рекомбинационный ток.
где ni - собственная концентрация носителей ;
t - время жизни неосновных носителей;
V - объем полупроводника.
Видно, что время жизни неосновных носителей в кремнии
должно быть порядка миллисекунд, чтобы темновой ток был
порядка единиц nA/мм3 .
Все три составляющие темнового тока растут с ростом
температуры, но по-разному.
Так, объемный ток изменяется и весьма резко главным
образом из-за зависимости ni(T).
При изменении температуры на 80C ni, вместе с ней и
темновой ток изменяются в два раза.
Темновой ток определяет дробовой шум на входе усилителя
tф
где съема
tф – время
формирования
фильтра. иметь емкостную
Для
сигнала
с полосок желательно
Можно записать более удобно:
развязку между полоской и входом предусилителя. В этом
случае на вход усилителя не подается темновой ток, который :
а. сильно меняется от полоски к полоске;
б. сильно зависит от температуры и от дозы облучения;
с. может ограничивать динамический диапазон или даже
выводить усилитель из режима.
При шаге полосок 50 – 100 мкм можно использовать только
специализированную интегральную электронику, в которой
сложно организовать на входе усилителя большие емкости и
сопротивления смещения ~1—10 Мом, поэтому вместо этого
были разработаны детекторы с емкостными развязками.
Для этого p+ области закрывают тонкой пленкой SiO2 , поверх
которой наносят пленку Al. Таким образом получаются
разделительные емкости ~100 пф. Сопротивления смещения,
соединяющие p+ области с общим электродом, изготавливают из
поликремния, их величина обычносоставляет ~1– 3 Мом.
Электроника
детекторов с большой плотностью каналов
На настоящий момент кремниевые микрополосковые
детекторы являются наиболее плотными по числу каналов
регистрации на единицу размера (шаг ~50мкм). Для них под
разные задачи разработано множество модификаций
электроники.
Однако при всем разнообразии, эта электроника, кроме
высокой плотности, должна иметь:
- большое усиление, чтобы снизить относительный
уровень шумов коммутации;
- большую входную динамическую емкость (много
больше емкости источника сигнала (полоски);
- низкий шум;
- малую потребляемую мощность.
Поскольку для создания электроники используется КМОП
технология, то преобладающими становятся шумы вида 1/f в
отличие от биполярных транзисторов, где преобладает белый
шум.
Стандартный метод противошумовой фильтрации с
использованием RC—CR фильтров трудно реализовать в
интегральной технологии, к тому же, шумы 1/f такими
фильтрами не подавляются.