Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Полупроводник с р — /г-переходом может использоваться для детектирования заряженных частиц даже при отсутствии внешнего источника напряжения, поскольку внутри такого полупроводника существует область, в которой напряженность электрического поля отлична от нуля. Эта область обеднена свободными носителями. Если через эту область пролетает ионизирующая частица и создает свободные носители, то они, перемещаясь под действием электрического поля, создадут сигнал во внешней цепи детектора. Однако ширина области объемного заряда в р — «-переходе без внешнего смещения мала ( < IO-4 см), что приводит, во-первых, к малому чувствительному объему детектора и, во-вторых, к малому значению сигнала по сравнению с шумом, так как собственная емкость перехода велика*. Чувствительную область детектора, т. е. область, в которой существует электрическое поле, можно увеличить, прикладывая к переходу обратное смещение, т. е. к «-области присоеди-
* Влияние емкости на энергетическое разрешение детектора рассматривается в § 6.6.
Концентрация электронов
концентрация \ ионизованных > от змов принесе^ ,
Распределение объемного заряда
Рис. 6.5. Равновесный р — /;-гт: ход
177 нить плюс источника напряжения, а к р-области — минус. Обратное смещение помогает напряжению, возникшему на р — «-переходе, удалять свободные носители из области вблизи перехода. В результате чувствительный объем детектора, т. е. объем обедненного носителями слоя, B котором существует электрическое поле, увеличивается, а емкость перехода уменьшается.
Рассмотрим свойства р — /г-перехода с обратным смещением (рис. 6.6), причем n-область сильно легирована, а р-область слабо. Свободные носители «выметены» электрическим полем из обедненной области толщиной d, и заряды в ней существуют практически полностью в виде закрепленных ионизованных доноров и акцепторов. Почти полное отсутствие свободных носителей в обедненной области означает, что удельное сопротивление материала в ней гораздо больше, чем удельное сопротивление полупроводника вне перехода. На-
помним, что высокое удельное сопротивление материала — основное условие работы полупроводникового детектора. На рис. 6.6 показаны также распределения потенциала и напряженности электрического поля в переходе. Изображены они с резкими границами, что, конечно, условно, поскольку реально плотность носителей, а соответственно и все остальные величины изменяются плавно.
По порядку величины плотность свободных носителей в области перехода меньше плотности вне перехода в отношении Atixr, где At — среднее время нахождения носителя в области перехода; тг — время жизни носителей относительно рекомбинации в отсутствие напряжения смещения. Величина At — время, за которое носитель «выметается» электрическим полем из перехода, — уменьшается при увеличении смещения на переходе. При больших обратных смещениях (соответствующих реальным) можно предполагать при расчетах, что в слое объемного заряда совсем нет свободных носителей.
Ширина обедненной зоны р—/г-перехода. В случае сильного легирования «-области все приложенное напряжение смещения падает на р-область, поскольку ее сопротивление больше (приблизительно в NdZNa раз). Такая ситуация характерна для полупроводниковых детекторов, и в этом случае ширина обедненной зоны
d = У у. iL + UQ)/(2neNa), (6.13)
где к — диэлектрическая постоянная полупроводника; Na — плотность электрически активных центров в слаболегированной области. Если в полупроводнике р-типа есть и донорные уровни, то Na —
Распределение съем чого зссяда
г--^ Напряженность электрического поля
Потенциал
Рис. 6.6. р — «-Переход с обратным смещением. Упрощенное изображение распределения зарядов и полей
178 разность между концентрациями доноров и акцепторов; U — напряжение смещения; U0 — скачок потенциала на переходе; U4 та та 0,7 в для Si и U0Ta 0,3 в для Ge. Число основных носителей в примесном полупроводнике приближенно равно числу атомов примеси, следовательно, Na можно выразить по (6.11) через удельное сопротивление и подвижность основных носителей слаболегированного полупроводника. Учитывая, что всегда U U0, и принимая подвижность постоянной, получаем из (6.13) приближенное выражение для ширины обедненной зоны d (при условии Nd !5>iVa). Для кремния
d= 3,3 • 10-5/р17, (6.14)
где р выражено в ом • см\ U — в е. Для U = 500 вир = IO4 ом • см, а именно таким сопротивлением обладают лучшие образцы кремния d =0,07 см. Для германия подсчитанная по (6.12) в таких же приближениях d много меньше (приблизительно на два порядка). Малое удельное сопротивление германия при комнатной температуре и соответственно малое d и объясняет тот факт, что на практике без охлаждения используются только детекторы с р — «-переходом, изготовленные из кремния.
Чтобы получить чувствительную область шириной 0,1 см и площадью 1 см2 с однородным счетчиком при хорошем отношении сигнала к шуму, необходим был бы полупроводник с удельным сопротивлением, равным примерно IO9 ом • см [см. (6.4)].
Максимальную напряженность электрического поля в р — «-переходе можно оценить следующей формулой:
