Лекция №16. Полупроводниковые (твердотельные) детекторы

ППД
Принцип действия ППД
4. Достоинства и недостатки. Области применения.

низка и энергия, теряемая частицей в объёме детектора мала, что

не позволяет эффективно регистрировать высокоэнергичные и слабоионизующие частицы.
Во-вторых, энергия, необходимая для рождения пары электрон-ион в газе велика (30-40 эВ), что увеличивает относительные флуктуации числа зарядов и ухудшает энергетическое разрешение. Значительно более удобными в этом плане являются детекторы с твёрдотельной рабочей средой. Наибольшее распространение получили полупроводниковые детекторы из кристаллов кремния (плотность 2.3 г/см3) и германия (5.3 г/см3).

существенных преимуществ, наиболее важным, из которых является высокое разрешение.
Среди

других достоинств полупроводниковых детекторов следует указать: линейность в широком диапазоне энергий, малое время нарастания импульса, относительную простоту и небольшие размеры, а также низкая чувствительность к магнитным полям.

в твердом теле не может быть произвольной. И если в

одиночном атоме энергия электрона принимает дискретные значения, то в кристалле вместо отдельных разрешенных значений энергии существуют зоны разрешенных и запрещенных энергий электронов.

зоне существуют уровни, принадлежащие этим дефектам и примесям. Вероятность переходов

через эти уровни намного превышает вероятность теплового перехода через запрещенную зону.

в зону проводимости, называется энергией ионизации.
Энергия ионизация определяет минимальную

энергию, которую необходимо передать атому вещества, чтобы провести его ионизацию, т.е. образовать электронно-дырочную пару.

кремнии равна 3.62 эВ при температуре T = 300 K
В германии

она равна 2.95 эВ при T = 80 K.
Столь малая энергия образования пары позволяет в несколько раз улучшить энергетическое разрешение по сравнению с газонаполненными счётчиками, такими как ионизационная камера и пропорциональный счётчик.

камер. Ионизирующая частица, попавшая детектор, создает пары свободных носителей -

электрон-дырка, которые собираются электрическим полем, приложенным к электродам детектора. Величина соответствующего электрического импульса пропорциональна энергии, потерянной частицей или γ-квантом в детекторе.

переходов, т.е. материалов с разным типом проводимости, благодаря диффузии носителей

заряда из одной области в другую образуются два слоя противоположных по знаку зарядов. Образование слоев зарядов приводит к появлению между ними особой обедненной области и потенциального барьера (рис. а).

(минус к p-области, а плюс к n-области), то заряженные слои

будут удаляться друг от друга, и обедненная область будет расширяться (рисунок б) При определенном напряжении обедненная область может быть растянута на весь объем полупроводникового детектора. При попадании заряженной частицы в такой детектор вдоль ее трека будут образоваться пары электрон-дырка, за счет ионизации объема детектора (рисунок 3.). .

по удельному сопротивлению занимающих промежуточное положение между металлами и диэлектриками)

вводят небольшие количества определенных примесей. Благодаря этому в области перехода возникает электрическое поле, а при наложении дополнительного внешнего поля образуется обедненная область, в которой отсутствуют свободные носители заряда, необходимые для создания электрического тока. Но если через обедненную область проходит ионизующая частица, в ней возникают свободные носители (электроны и «дырки»), движение которых и создает ток

сверхчистого германия (HpGe). Толщина чувствительной области кремниевых детекторов не превышает

5 мм, что соответствует пробегу протонов с энергией ~30 МэВ и -частиц с энергией ~120 МэВ. Для германия толщина 5 мм соответствует пробегам протонов и -частиц с энергиями ~40 МэВ и ~160 МэВ соответственно. Более того, германиевые детекторы могут быть изготовлены с гораздо более толстой чувствительной областью.     Кремниевые детекторы часто используют при комнатной температуре. Германиевые детекторы всегда охлаждают до азотных температур.

собой полупроводниковые приборы с p – n-переходом. Однако их конструкция

имеет свои особенности. Один из широко распространенных типов детекторов, поверхностно-барьерный, изготавливается путем нанесения тонкого слоя золота на кремний или германий. Он имеет вид круглой пластинки диаметром около 1 см с обедненным слоем толщиной менее 1 мм. Такие детекторы применяются для измерения полной энергии сильно ионизующих частиц, например альфа-частиц и протонов с низкой энергией.

приборы измеряют энергию частиц точнее детекторов всех других типов. Кроме

того, благодаря небольшим размерам и простоте в обращении они идеально подходят для космических экспериментов.
Серьезным недостатком полупроводниковых детекторов и ионизационных камер является малый ток, создаваемый в них ионизующей частицей. Он настолько мал, что для его измерения необходимы электронные усилители с большими коэффициентами усиления