Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Повреждения, вызванные тяжелыми заряженными частицами. Основным процессом взаимодействия заряженных частиц с ядрами является кулоновское рассеяние. Поскольку известна аналитическая зависимость сечения кулоновского рассеяния от энергии и заряда заряженной частицы, то можно получить оценку сечения образования смещений в решетке, а следовательно, и оценку общего числа смещений. В кремнии, например, полное число дефектов, создаваемых протонами, пропорционально энергии протона и приближенно равно 200 при энергии протона 10 Мэв. Естественно, что эти дефекты располагаются вдоль трека протона. Можно произвести численную оценку числа дефектов, созданных а-частицей.
Более трудно поддаются анализу и расчету повреждения, производимые осколками деления или тяжелыми ионами. В этом случае существенны как процессы прямых столкновений заряженной частицы с атомами решетки, так и передача энергии решетки кулонов-ским полем заряженной частицы на большее расстояние. При бомбардировке тяжелыми частицами типа осколков деления смещаются почти все атомы, расположенные на пути частицы. Такая частица оставляет за собой сильно разупорядоченный объем, называемый клином смещения. Вычисление концентрации дефектов, создаваемых в таких условиях, представляет собой очень трудную задачу.
Повреждения, вызванные электронами. Электрон из-за своей малой массы может выбить при упругом рассеянии атом из решетки только в том случае, если его энергия много больше энергии связи атома в решетке. В кремнии минимальная энергия электрона, при которой он еще может передать атому энергию, достаточную для смещения, приближенно равна 150—200 кэв, а в германии — около 400 кэв. В среднем электрон с энергией, даже значительно превышающей минимальную, передает атомам решетки слишком малые порции энергии, чтобы вызвать смещение, и только в очень редких случаях атом покидает узел решетки. Процесс образования смещений не носит каскадного характера, отдельные дефекты образуются далеко друг от друга, в результате чего они приблизительно равномерно распределены по объему полупроводника.
Взаимодействие у-квантов с атомами решетки полупроводника приводит к появлению быстрых электронов, которые и обусловливают появление дефектов решетки. Сечения образования дефектов у-квантами малы по сравнению с сечением образования дефектов тяжелыми частицами или нейтронами. Так, сечение образования смещений в кремнии у-квантом с энергией 3 Мэв около 1 барн, это означает, что вероятность создать один дефект такому у-кванту в слое кремния толщиной 0,1 см примерно равна 5 • 10~3. Интуитивно ясно, что свойства детектора при облучении существенно изменятся тогда, когда число повреждений разного типа будет по порядку величины сравнимо с числом примесных атомов. Для кремния р-типа, например, Cp = = IO3 ом • см число акцепторов равно 2 • IO13 атом/см3. Близкая к этому значению плотность дефектов будет создана при попадании в кремний приблизительно IO11 а-частиц/смг с энергией 10 Мэв или IO14 электрон/см2. На практике влияние повреждений выявляется и при меньших дозах, особенно если следить за изменением чувствительных к облучению параметров, таких, как энергетическое разрешение.
В результате облучения изменяется сопротивление материала, что, в свою очередь, вызывает искажение электрических полей, увеличиваются токи утечки, увеличиваются вероятности захвата в ловушки и рекомбинации. Поскольку нарушения в общем случае создаются неравномерно по чувствительному объему, то ухудшается разрешение и появляются дополнительные пики в амплитудном распределении импульсов, что является одним из признаков существенных повреждений. Для детекторов с р — і — «-переходом, которые более чувствительны к облучению, чем" детекторы с р — «-переходом, одним из последствий облучения является уменьшение глубины обедненного слоя.
Таблица 6.2
Допустимые интегральные плотности потоков для различных типов детекторов, частица/см1
Детекторы
Вид излучения поверхностно-барь-ерные и диффузионные с р — п-переходом дрейфовые р — 1 — «-типа
Осколки деления а-Частицы с энергией 5—50 Мэв Протоны с энергией 5—10 Мэв Протоны с энергией 650 Мэв Быстрые нейтроны Электроны с энергиейх2—5 Мэв IOs-IO9 ~ IO10 -IOu ~1012 1011-IO13 1012—IO14 -IO8 108—IO9 IO10-IOu IOlo-IO11
Флюенс быстрых нейтронов, нейтрон /см2
Рис. 6.16, Зависимость амплитуды импульсов от а-ча-стиц с энергией 5 Мэв (а), снятых с кремниевого детектора с р — «-переходом, и энергетического разрешения (б) от флюенса быстрых нейтронов На рис. 6.16 показано, как уменьшается амплитуда импульсов от а-частиц с энергией 5 Мэв при облучении кремниевых детекторов с р — n-переходом быстрыми нейтронами. С увеличением дозы ухудшается и энергетическое разрешение детектора. В табл. 6.2 приведены ориентировочные значения интегральной плотности потока, свыше которых наступает заметное изменение свойств детекторов. Эти данные позволяют судить о возможности применения полупроводникового детектора в конкретном физическом эксперименте.
§ 6.10. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ
