напівпровідниковий детектор

Напівпровідник про вий дет е ктор в ядерній фізиці, прилад для реєстрації іонізуючих випромінювань , Основним елементом якого є кристал напівпровідника . П. д. Працює подібно ионизационной камері з тією відмінністю, що іонізація відбувається не в газовому проміжку, а в товщі кристала. П. д. Є напівпровідниковий діод , На який подано зворотне (що замикає) напруга (~ 102 в). Шар напівпровідника поблизу кордону р-n-переходу (див. Електронно-дірковий перехід ) З об'ємним зарядом «збіднений» носіями струму (електронами провідності і дірками) і володіє високою питомою електроопору. Заряджена частинка, проникаючи в нього, створює додаткові (нерівноважні) електронно-діркові пари, які під дією електричного поля «розсмоктуються», переміщаючись до електродів П. д. В результаті у зовнішній ланцюга П. д. Виникає електричний імпульс, який далі посилюється і реєструється (див. рис.).

Заряд, зібраний на електродах П. д., Пропорційний енергії, виділеної часткою при проходженні через збіднений (чутливий) шар. Тому, якщо частка повністю гальмується в чутливому шарі, П. д. Може працювати як спектрометр. Середня енергія, необхідна для освіти 1 електронно-діркової пари в напівпровіднику, мала (у Si 3,8 ев, у Ge ~ 2,9 ев). У поєднанні з високою щільністю речовини це дозволяє отримати спектрометр з високою роздільною здатністю (~ 0,1% для енергії ~ 1 МеВ). Якщо частка повністю гальмується в чутливому шарі, то ефективність її реєстрації ~ 100%. Велика рухливість носіїв струму в Ge і Si дозволяє зібрати заряд за час ~ 10 нсек, що забезпечує високу тимчасовий дозвіл П. д.

У перших П. д. (1956-57) використовувалися поверхнево-бар'єрні (див. Шотки діод ) або сплавні p-n-переходу в Ge. Ці П. д. Доводилося охолоджувати для зниження рівня шумів (обумовлених зворотним струмом), вони мали малу глибину чутливої ​​області і не набули поширення. Практичне застосування отримали в 60-і рр. П. д. У вигляді поверхнево-бар'єрного переходу в Si (рис., А). Глибина чутливої області W в разі поверхнево-бар'єрного П. д. Визначається величиною замикаючої напруги V:

W = 5,3 × 10-5 .

Тут r - питомий опір напівпровідника в ом × см. Для поверхнево-бар'єрних переходів в Si cr = 104 ом × см при V = (1 - 2) 102 в, W = 1 мм. Ці П. д. Мають малі шуми при кімнатній температурі і застосовуються для реєстрації короткопробежних частинок і для вимірювання питомих втрат енергії dEldx.

Для реєстрації дліннопробежних частинок в 1970-71 були створені П. д. Р-i-n-типу (рис., Б). В кристал Si р-типу вводиться домішка Li. Іони Li рухаються в р-області переходу (під дією електричного поля) і, компенсуючи акцептори, створюють широку чутливу i -область власної провідності, глибина якої визначається глибиною дифузії іонів Li і досягає 5 мм. Такі дрейфові кремній-літієві детектори використовуються для реєстрації протонів з енергією до 25 МеВ, дейтронів - до 20 МеВ, електронів - до 2 МеВ і ін.

Подальший крок в розвитку П. д. Був зроблений поверненням до Ge, що володіє великим порядковим номером Z і, отже, більшою ефективністю для реєстрації гамма-випромінювання . Дрейфові германій-літієві плоскі (планарні) П. д. Застосовуються для реєстрації g-квантів з енергією в декілька сотень кев. Для реєстрації g-квантів з енергією до 10 МеВ використовуються коаксіальні германій-літієві детектори (рис., В) з чутливим об'ємом що досягає 100 см3. Ефективність реєстрації g-квантів з енергією <1 МеВ ~ десятків% і падає при енергіях> 10 МеВ до 0,1-0,01%. Для частинок високих енергій, пробіг яких не вкладається в чутливої області, П. д. Дозволяють, крім акта реєстрації частки, визначити питомі втрати енергії dEldx, а в деяких приладах координату х частки (позиційно-чутливі П. д.).

Недоліки П. д .: мала ефективність при реєстрації g-квантів великих енергії; погіршення роздільної здатності при завантаженнях> 104 частинок в сек; кінцевий час життя П. д. при високих дозах опромінення через накопичення радіаційних дефектів (див. Радіаційні дефекти в кристалах ). Трохи розмірів доступних монокристалів (діаметр ~ 3 см, об'єм ~ 100 см3) обмежує вживання П. д. В ряді областей.

Подальший розвиток П. д. Пов'язано з отриманням «надчистих» напівпровідникових монокристалів великих розмірів і з можливістю використання GaAs, SiC, CdTe (див. напівпровідникові матеріали ). П. д. Широко застосовуються в ядерній фізиці, фізиці елементарних частинок, а також в хімії, геології, медицині і в промисловості.

Літ .: Напівпровідникові детектори ядерних частинок і їх застосування, М., 1967; Дірнлі Дж., Нортроп Д., Напівпровідникові лічильники ядерних випромінювань, пров. з англ., М., 1966; Напівпровідникові детектори ядерного випромінювання, в збірці: Напівпровідникові прилади і їх застосування, в. 25, М., 1971 (Авт .: Ривкін С. М., Матвєєв О. А., Новиков С. Р., Строкан Н. Б.).

А. Г. Біда. В. С. Кафтанов.

Напівпровідникові детектори; штрихуванням виділено чутлива область; n - область напівпровідника з електронною провідністю, р - з доречний, i - з власної провідності; а - кремнієвий поверхнево-бар'єрний детектор; б - дрейфовий літієвий планарний детектор; в - літієвий коаксіальний детектор.