Полупроводниковый метод дозиметрии

Принцип действия полупроводниковых детекторов аналогичен принципу действия ионизационных камер, только вместо газа между электродами находится полупроводник, в котором под действием ионизирующего излучения образуются носители зарядов. Полупроводники – широкий класс веществ, характеризующихся значениями удельной электропроводности в пределах 10⁴ – 10^-10 Ом^-1×см^-1, промежуточной между удельной электропроводностью металлов и диэлектриков.

Процессы, происходящие при ионизации кристаллического полупроводникового детектора, можно объяснить на основе зонной теории кристаллов, в соответствии с которой для электронов имеются энергетические зоны разрешенных и запрещенных значений. Принято называть валентной зоной нижнюю заполненную зону, в которой электроны находятся в связанном состоянии и свободно перемещаться не могут; зоной проводимости – верхнюю незаполненную зону, в которой электроны, покинувшие атом, могут свободно перемещаться. Эти зоны разделены энергетическим интервалом, называемым запрещенной зоной.

Результатом ионизации в полупроводнике является появление электронов в зоне проводимости и дырок (незаполненных вакансий) в валентной зоне в результате перехода электронов в зону проводимости.

Ширина запрещенной зоны у полупроводников ~3 эВ, следовательно, и энергия, необходимая для образования пары электрон-дырка, является величиной того же порядка, что примерно в десять раз ниже средней энергии образования пары ионов в газе (для воздуха ~34 эВ). К тому же плотность вещества полупроводникового детектора примерно в 1000 раз выше плотности газа в ионизационной камере, поэтому и поглощенная энергия в одинаковых условиях облучения в полупроводниковом детекторе на несколько порядков больше, чем в газовом.

Таким образом, в одном и том же поле излучения чувствительность полупроводникового детектора будет на несколько порядков выше, чем ионизационного детектора.

В полупроводниках вследствие энергии теплового движения возможен переход электронов из валентной зоны в зону проводимости. В идеальном кристалле концентрация электронов, появившихся в зоне проводимости за счет теплового движения, n будет равна концентрации дырок р в валентной зоне. Эти носители заряда, имеющие возможность перемещаться под действием электрического поля, определяют собственную проводимость полупроводникового детектора.

В реальных полупроводниках всегда имеются примеси, которые влияют на электрическую проводимость кристалла, т.к. повышается число носителей электрических зарядов. Примеси не только увеличивают общее число носителей зарядов, но и могут изменить соотношение между концентрациями электронов и дырок.

Если атомы примеси имеют на один валентный электрон больше, чем атомы кристалла, то этот лишний электрон может перемещаться по кристаллу, создавая проводимость n-типа. Примеси, которые снабжают полупроводник свободными электронами, называются донорными, а такие полупроводники называются электронными или полупроводниками n-типа.

Если атомы примеси имеют на один электрон меньше, чем атомы кристалла, то имеется возможность перемещения электронов в валентной зоне, которое оказалось удобным описывать как перемещение положительного заряда (дырки). Примеси, которые захватывают электроны, называются акцепторными, а подобные полупроводники называются дырочными или полупроводниками р-типа.

Энергетические схемы собственного полупроводника, полупроводников n-типа и р-типа в представлении зонной теории кристаллов показаны на рис. 10.7.

В собственном полупроводнике в отличие от примесных электроны не могут принимать значения энергии, находящиеся в запрещенной зоне. В примесных полупроводниках в запрещенной зоне появляются уровни, связанные с искажением электрического поля идеальной решетки, которые могут заполняться носителями зарядов. Донорные уровни в полупроводниках n-типа, содержащие «лишние» электроны, располагаются вблизи зоны проводимости, куда за счет теплового движения и происходит переход электронов. Акцепторные уровни у полупроводников р-типа располагаются вблизи валентной зоны, откуда на эти уровни переходят электроны.

Рис. 10.7. Зонная структура полупроводников
(e_g – ширина запрещенной зоны)

Таким образом, проводимость собственных полупроводниковых детекторов обусловлена переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости; проводимость примесных полупроводниковых детекторов n-типа обусловлена переходами электронов с донорных уровней в зону проводимости, а р-типа – переходами электронов на акцепторные уровни.

В отличие от ионизационной камеры, через полупроводниковый детектор ток протекает и в отсутствие ионизирующего излучения. Наличие этого фонового тока как у собственных, так и у примесных полупроводников делает их малопригодными для дозиметрических целей.

Для того, чтобы использовать полупроводник в качестве детектора ионизирующего излучения, в нем необходимо создать слой, обедненный носителями зарядов (электронами и дырками). Тогда ионизирующая частица, проходя через этот слой, образует в нем пары электрон-дырка по аналогии с ионизационной камерой. Под действием внешнего электрического поля носители зарядов достигают электродов, что регистрируется в виде импульса тока.

Для создания обедненного слоя в полупроводниковом детекторе поступают следующим образом. На поверхность полупроводника р-типа (дырочная проводимость) наносится слой вещества n-типа (электронная проводимость). Путем диффузии электроны из полупроводника n-типа будут внедряться в полупроводник р-типа, а дырка – в обратном направлении. Аналогичные рассуждения можно провести, если на полупроводник n-типа нанести слой вещества р-типа. Через некоторое время устанавливается равновесное состояние, при котором результирующие потоки электронов и дырок равны нулю.

В этих условиях в полупроводнике создается область, где электрическое сопротивление резко увеличивается, а электрическая проводимость падает (т.е. создается область с малой концентрацией носителей заряда). Эта область полупроводника, где происходит смена типа проводимости, например, с электронной на дырочную или, наоборот, с дырочной на электронную, называется областью перехода.

В области перехода концентрация равновесных носителей зарядов на несколько порядков ниже, чем в остальном объеме полупроводника. Обедненная носителями область перехода является основной рабочей областью полупроводникового детектора. При отсутствии внешнего напряжения протяженность обедненного слоя очень мала (порядка микрометра). Однако ширина обедненной области увеличивается при подаче на р-n-переход так называемого обратного смещения, т.е. внешнее напряжение подключено таким образом, что на р-область подан «минус», а на n-область – «плюс».

Схема включения полупроводникового детектора с
p-n-переходом показана на рис. 10.8. Слои p и n разделены областью перехода, в которой под действием ионизирующего излучения создаются носители заряда. Эти вновь образованные носители заряда уносятся электрическим полем на электрод за время, исчисляемое долями микросекунд.

В качестве материалов полупроводниковых детекторов с переходами наиболее удобными оказались кремний и германий с возможно меньшей концентрацией примеси, обладающие малой шириной запрещенной зоны, высокой подвижностью электронов и дырок, достаточной электрической прочностью. По способу получения обедненной области различают детекторы поверхностно-барьерные, диффузионные и литиево-дрейфовые.

Поверхностно-барьерные детекторы можно получить при обычных условиях окислением материалов n-типа, например, кремния. При изготовлении диффузионных детекторов требуются высокие температуры (до 800°С), что может привести к изменению физических характеристик исходных материалов. Технология изготовления литиево-дрейфовых детекторов основана на напылении на р-материал лития и последующей его диффузии при высоких температурах.

Рис. 10.8. Схема включения полупроводникового детектора

На практике полупроводниковые детекторы используются для регистрации b-частиц в широком энергетическом диапазоне,а также в g-спектрометрии и дозиметрии.

В g-спектрометрии широкое распространение получили германиевые литиево-дрейфовые детекторы, обладающие высоким энергетическим разрешением (0.1 – 1.0)% и высокой чувствительностью регистрации вследствие низкой энергии образования пары носителей ~3 эВ против ~300 эВ для сцинтилляционных и ~30 эВ для газовых детекторов. Недостаток этих детекторов – обязательное охлаждение при хранении.

В последние годы широко используются полупроводниковые детекторы из сверхчистого германия, обладающие еще лучшими спектрометрическими характеристиками. Дополнительное преимущество таких детекторов – возможность хранения без охлаждения.

Для дозиметрических целей более практичным оказался кремний. Важное достоинство кремниевых детекторов – возможность работы без охлаждения.

Использование полупроводниковых детекторов для измерения доз ограничено заметной зависимостью дозовой чувствительности от энергии излучения. Несмотря на аналогию по механизму действия с ионизационной камерой, в дозиметрическом отношении полупроводниковые детекторы, скорее, похожи на газоразрядные счетчики или сцинтилляционные детекторы в счетчиковом режиме. Поэтому необходим тщательный анализ и поиски надежного способа компенсации энергетической зависимости чувствительности полупроводниковых детекторов.