Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Емакс = 2 Uld. (6.15)
Заметим, что если Еыакс достигает примерно (2+5) IO4 в,'см, то возможно возникновение вторичной ионизации и пробой детектора. Кроме того, если скорость дрейфа носителей, равная произведению Ep,, достигает значений около IO7 см/сек, т. е. становится сравнимой с тепловой скоростью электронов в решетке, то она перестает зависеть от напряженности электрического поля. Этот гффект необходимо учитывать при расчетах времени сбора носителей.
р — / — «-Переход. Из выражения (6.13) для глубины обедненного слоя видно, что величину d можно увеличить двумя способами: поднимая напряжение смещения U и уменьшая число примесных атомов, т. е. увеличивая сопротивление материала. Если образец достаточно толстый, то увеличение U действительно приводит к росту толщины обедненного слоя , который может раздвинуться почти до металлических контактов, присоединенных к детектору. Однако в этом случае ток инжекции из контактов слишком велик, даже если область перехода и не достигает их. Поэтому при создании детекторов с большим d в качестве контактов используют высоколегированные полупроводники. Такие детекторы называют обычно, хотя и не очень точно, детекторами с р — і — «-переходом, а более точно,
179 если основной материал детектора с дырочной проводимостью, это детекторы с п+ — р — р+-переходом (знак «плюс» означает сильное легирование). Такой переход схематически изображен на рис. 6.7. Видно, что основное изменение потенциала происходит в р-области и электрическое поле возникает почти по всей глубине образца.
Для получения большого значения d сопротивление слаболегированной р-области должно быть как можно больше, т. е. число некомпенсированных примесных атомов Afa в этой области минимально.
Компенсация акцепторных примесей в р-полупроводнике осуществляется с помощью дрейфа лития, являющегося донором.
Емкость перехода. Если заряженная частица проходит через р — п-переход, то в чувствительном (обедненном) слое образуется некоторое число неравновесных носителей заряда. Импульс напряжения, возникший на р — n-переходе после сбора носителей, обратно пропорционален сумме емкости перехода и входной емкости регистрирующего устройства. Отношение сигнал/шум для такой системы Рис. 6.7. р — і — «-Переход с уменьшается, если емкость перехода
ооратным смещением. Упрощен- „ягтрт Пепехпт г пбпятнргм гмяпр ное изображение распределения растет, переход С ооратным смеще-
зарядов и полей нием приближенно может рассматри-
ваться как изолятор с металлическими электродами. Тогда, если толщина слоя d см, и площадь s см2, то его емкость
C=I1I xsl (4лd), пф. (6.16)
Для кремния С да 1,1 s;d пф\ для германия С да 1,37 sid пф, т. е. для детектора с s = 1 см2 и d = 0,02 см собственная емкость перехода достигает 50—70 пф.
Токи утечки через переход. Поскольку проводимость переходной области, к которой приложено напряжение смещения, отлична от нуля, то через переход будет постоянно протекать ток. При анализе работы полупроводниковых детекторов этот ток принято называть током утечки.
Минимальное значение сигнала, который еще можно отделить от сигналов шума, а также энергетическое разрешение при измерении энергий частиц зависят от флуктуаций токов утечки, которые по абсолютной величине тем больше, чем больше сам ток.
Токи утечки условно можно разделить на объемные и поверхностные компоненты.
Проведем численную оценку объемных токов утечки: диффузионного id и тока генерации ig. Сначала рассмотрим диффузионный ток.
ГТ
п Распределение
Ij объемного
ЇЇ
заряда
Напряженность электрического поля
Потенциал
180 Он возникает в р — «-переходе по двум причинам:
1) неосновные носители (дырки) в «-области диффундируют к краю обедненной носителями области объемного заряда и подхватываются электрическим полем в этой области;
2) электроны в р-области диффундируют к переходной области и тоже подхватываются электрическим полем и переносятся в «-область.
В нашем примере высоколегированной «-области определяющей является диффузия неосновных носителей (электронов) из р-области, поскольку плотность электронов р-области больше, чем плотность неосновных носителей — дырок в «-области. Оценим диффузию электронов, имея в виду, что оценка в равной мере справедлива и для диффузии дырок. Электроны в р-области возникают в результате тепловой генерации носителей по всему объему р-области. Однако большая часть электронов, попавших вследствие диффузии в область с градиентом электрического поля (в область перехода), генерирована на расстоянии порядка длины диффузии носителей Ln от перехода. Для оценки примем, что все носители генерируются только в объеме sLn, где S — площадь перехода. В состоянии равновесия и при отсутствии внешнего электрического поля этот объем содержит sLnnp электронов, где «Р — плотность электронов в р-области. Каждый электрон существует в среднем хг сек, следовательно, число рекомбинаций в 1 сек в этом объеме равно sLnnplxrceK, а исчезающий в 1 сек заряд — esLniiJ1Ixl.. Для получения верхней оценки диффузионного тока утечки через переход сделаем еще одно существенное упрощение: предположим, что рекомбинация в этом объеме отсутствует, а все возникшие в нем электроны попадают в область, где существует электрическое поле, и увлекаются им в «-область. Тогда плотность диффузионного тока утечки
