Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
* При рассмотрении процессов в ионизационных камерах током проводимости можно пренебречь из-за огромного сопротивления газового промежутка в отсутствие ионизации.
164 роших полупроводниковых детекторов при E = Мэв достигает 0,1—0,3%. Используя это условие, получаем
R^(W/Ef(Ut/e) 10е
(6.2)
или для удельного сопротивления
р ^{sUt I (de)] (WlEf 10е,
(6.3)
где S — площадь детектора; d — расстояние между электродамп. Для простоты примем, что подвижности положительных и отрицательных носителей одинаковы и равны ц. Тогда время прохода носителями расстояния d равно максимальному времени сбора носителей, созданных заряженной частицей, t = d2IU\i, а удельное сопротивление
где cUj — объем камеры, см3.
При комнатной температуре подвижность носителей в диэлектриках (изоляторах или полупроводниках) по порядку величины равна IO3 см21(в-сек), a W ~ 3+- 7 эв. Принимая W = 1 см3 и E = = 1 Мэв, получаем из (6.4), что минимально допустимое значение удельного сопротивления примерно равно IO10 ом-см.
В природе не существует материала, который бы достаточно хорошо удовлетворял требованиям 1—4 одновременно. Изоляторы обладают большим удельным сопротивлением (до IO16 ом-см), сравнительно малым W и большим но для них очень существенны захват носителей и образование объемного заряда. Лучше всего удовлетворяют совокупно всем требованиям для наполнителя твердых камер полупроводниковые материалы — кристаллические кремний и германий, хотя их удельное сопротивление и гораздо меньше, чем следует из оценки по (6.4).
Дальнейшее рассмотрение ограничивается только детекторами из кремния и германия. Получившие ранее некоторое распространение так называемые кристаллические счетчики из хороших изоляторов, таких, как алмаз, с появлением полупроводниковых детекторов вышли из употребления, а счетчики из других полупроводниковых материалов, таких, как карбид кремния, еще находятся в стадии разработки.
В настоящее время в промышленном масштабе удается изготовлять кремний с удельным сопротивлением при комнатной температуре порядка нескольких десятков тысяч, а германий — около сотен ом, умноженных на сантиметр, что явно недостаточно для работы с однородным по объему наполнителем-полупроводником. Приходится прибегать к специальным мерам, резко повышающим сопротивление полупроводника, а именно, использовать свойства переходной области между двумя полупроводниками с разными свойствами, намеренно вводить в полупроводниковый материал опреде-
P^Wj(WlEfllKeii)] 10е,
(6-4)
165 ленные примеси и охлаждать детектор вплоть до температур жидкого азота.
Более подробный анализ работы полупроводниковых детекторов нельзя привести, не используя основных понятий физики полупроводников, которые рассматриваются ниже.
§ 6.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ИЗ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Удельное электрическое сопротивление твердых тел изменяется от IO16 ом-см для хороших изоляторов до 10~6 ом-см для некоторых металлов. Диэлектрики, сопротивление которых больше, чем у металлов, и меньше, чем у изоляторов, называют полупроводниковыми.
Считают, что границы области полупроводников IO9—IO-2 ом-см. Этот интервал весьма относителен, поскольку сопротивление полупроводников очень резко зависит от температуры, и материал, являющийся при комнатной температуре полупроводником, становится при температуре жидкого азота превосходным изолятором.
Согласно принципам квантовой механики в твердом теле, так же как и в отдельном атоме, электроны не могут иметь любую энергию. В одиночном атоме разрешены лишь отдельные дискретные значения энергии. При сближении атомов между ними возникают силы взаимодействия, приводящие к расщеплению уровней. В кристаллической решетке вместо отдельных разрешенных значений энергии образуются области или зоны разрешенных и запрещенных значений энергий электронов. Электроны, находящиеся на близких к ядру отдельного атома оболочках, т. е. на глубоких уровнях, практически не взаимодействуют с соседними атомами из-за экранировки электрических сил взаимодействия внешними электронами. Расщепление глубоких уровнен мало, т. е. зоны узкие. Для внешних оболочек взаимодействие велико и ширина зон разрешенных значений энергий может состазлять несколько электр он вольт. Электроны с энергией, соответствующей такой зоне, принадлежат всему кристаллу в целом, а не отдельному атому.
У полупроводников и диэлектриков наивысшая заполненная зона отделена от следующей более высокой (по энергии) зоны разрешенных значений запрещенной зоной, в которой отсутствуют уровни, принадлежащие идеальному кристаллу. При абсолютном нуле температуры, когда электроны заполняют наинизшие свободные уровни, в полупроводнике есть или полностью свободные, или полностью заполненные зоны. Самая верхняя заполненная зона называется валентной, наинизшая незаполненная — зоной проводимости. Они разделены запрещенной зоной шириной eg.
Если в кристалле есть электрическое поле Е, тона каждый электрон действует сила F = еЕ. Результат действия поля на электрон описывается в теории как изменение числа электронов в данном энергетическом состоянии (или сданным импульсом). В заполненной зоне все возможные энергетические состояния уже заняты, и электрическое поле не может изменить распределения электронов ПО CKO-
