5.3. 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. 5.21.

Рис. 5.21. Зонная структура полупроводников ( — ширина запрещенной зоны)

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.

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-п-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. 5.22. 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.

Рис. 5.22. Схема включения полупроводникового детектора

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 p-материал лития и последующей его диффузии при высоких температурах.

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

В γ-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.