Полупроводниковый детектор

Полупроводниковый детектор

Полупроводниковый детектор – в ядерной физике прибор, предназначенный для фиксации ионизирующих излучений, главным элементом которого является полупроводниковый кристалл. Полупроводниковый детектор работает сходно с ионизационной камерой с тем лишь отличием, что ионизация осуществляется не в газовом промежутке, а внутри кристалла. Полупроводниковый детектор является полупроводниковым диодом, на который подается обратное напряжение, равное приблизительно 10² В. Слой полупроводника около границы р-n-перехода «обеднен» с объемным зарядом носителями тока (дырками и электронами проводимости) и имеет высокое удельное электросопротивление. Заряженная частица, попадая в него, создает дополнительные электронно-дырочные пары, которые под воздействием электрического поля «рассасываются», продвигаясь к электродам полупроводникового детектора. В результате во внешней цепи полупроводникового детектора образуется электрический импульс, который в дальнейшем усиливается и фиксируется.

Заряд, скопленный на электродах полупроводникового детектора, пропорционален энергии, которая выделилась частицей при прохождении через обедненный слой. Вследствие чего, если частица полностью остановится в чувствительном слое, полупроводниковый детектор может работать в качестве спектрометра. Средняя энергия, которая необходима для образования в полупроводнике 1 электронно-дырочной пары, довольно мала. В сочетании с высокой плотностью вещества это дает возможность получить спектрометр с высокой разрешающей способностью, достигающей 0,1% для энергии, равной 1 Мэв. В том случае, если частица полностью останавливается в чувствительном слое, эффективность ее регистрации достигает практически 100%. Большая подвижность носителей тока в Ge и Si позволяет получить заряд за время ~ 10 нс, что обуславливает высокое временное разрешение полупроводникового детектора.

В первых полупроводниковых детекторах (1956—1957) применялись сплавные или поверхностно-барьерные p-n-переходы в Ge. Данные полупроводниковые детекторы приходилось охлаждать, чтобы снизить уровень шумов, они обладали малой глубиной чувствительной области и не получили значительного распространения. Практическое использование получили в 1960-е гг. полупроводниковые детекторы в виде поверхностно-барьерного перехода в Si. В случае поверхностнобарьерного полупроводникового детектора глубина чувствительной области определяется величиной запирающего напряжения. Эти полупроводниковые детекторы обладают малым шумом при комнатной температуре и используются для фиксации короткопробежных частиц, а также для измерения удельных потерь энергии.

Для фиксации длиннопробежных частиц в 1970—1971 гг. были изобретены полупроводниковые детекторы p-i-n-типа. В кристалл Si р-типа внедряется примесь Li. Ионы Li подвигаются в р-области перехода под воздействием электрического поля и, компенсируя акцепторы, образуют широкую чувствительную i-область собственной проводимости, глубина которой зависит от глубинной диффузии ионов Li и достигает 5 мм. Подобные дрейфовые кремний-литиевые детекторы применяются для фиксации протонов с энергией до 25 Мэв, электронов – до 2 Мэв, дейтронов – до 20 Мэв и др.

Следующий шаг в развитии полупроводниковых детекторов был сделан возвращением к Ge, который обладает большим порядковым номером и большей эффективностью для фиксации гамма-излучения. Дрейфовые германийлитиевые плоские полупроводниковые детекторы используются для фиксации g-квантов с энергией, достигающей несколько сотен кэв. Для фиксации g-квантов с энергией, достигающей 10 Мэв, применяются коаксиальные германийлитиевые детекторы с чувствительным объемом до 100 см³. Эффективность фиксации g-квантов с энергией меньше 1 Мэв равна 10% и падает при энергиях больше 10 Мэв до 0,1—0,01%.

Для частиц, обладающих высокой энергией, пробег которых не укладывается в чувствительной области, полупроводниковые детекторы дают возможность, помимо фиксации частицы, определить удельные потери энергии, а в некоторых устройствах координату частицы.

Недостатками полупроводниковых детекторов являются: малая эффективность при фиксации g-квантов больших энергий; ухудшение разрешающей способности при загрузках более 10⁴ частиц в секунду; конечное время жизни полупроводникового детектора при высоких дозах облучения вследствие накопления радиационных дефектов. Небольшие габариты доступных монокристаллов ограничивают использование полупроводниковых детекторов в ряде областей.

Дальнейшее развитие полупроводниковых детекторов связано с получением «сверхчистых» полупроводниковых монокристаллов довольно больших размеров и с возможностью применения GaAs, SiC, CdTe. Полупроводниковые детекторы широко используются в физике элементарных частиц, ядерной физике, а также в химии, медицине, геологии и в промышленности.