Твёрдотельные, полупроводниковые детекторы, страница 3

Удельное  сопротивление полупроводника ρ определяются через подвижности μ и концентрации p, n положительных и отрицательных носителей.

ρ=

Для собственного полупроводника справедливы очевидные соотношения р=n=n

ρ=

            Пользуясь этим выражением и данными таблицы находим удельное сопротивление для беспримесных полупроводников при комнатной температуре ρ=65 ом см  и   ρ=  230 10³ ом см. С уменьшением температуры сопротивление быстро растёт и можно выделить полезный сигнал.

Реально очень сложно получить полупроводниковый материал, соответствующий по своим характеристикам беспримесным кристаллам. Это осуществимо, например, для германия. Обычно полупроводниковый материал, используемый для изготовления детекторов, всегда будет примесный. Тип примеси зависит от свойств материала и технологии изготовления. Примеси обычно вводят искусственно. Для создания полупроводника с высоким удельным сопротивлением добиваются равенства концентрации донорных и акцепторных примесей. У такого скомпенсированного полупроводника проводимость равна проводимости беспримесного полупроводника.

Переходы в полупроводниках. Работа всех существующих полупроводниковых детекторов основана на использовании свойств перехода между полупроводниками с разным типом проводимости. На рис. 4-,3 изображён р-п переход причём число донорных примесей в образце больше, чем число акцепторов в р -образце.

При температуре выше нуля носители могут диффундировать, если существует градиент концентрации носителей данного знака.

 При отсутствии источника внешнего напряжения, приложенного к p- n переходу ток прекращается после установления равновесия  из-за появления на переходе скачка потенциала, возникающего  благодаря объёмному заряду в области контакта полупроводников с разными свойствами. Некомпенсированный свободными  основными носителями положительный заряд доноров будет равен некомпенсированному отрицательному заряду акцепторов. Величина скачка потенциальной ступеньки может достигать нескольких  десятых вольта. Ширина области объемного заряда в р-п переходе  без

Рис.4-2 Схема р-п перехода.

внешнего смещения мала. В результате чувствительный объём детектора мал  и мала величина сигнала по сравнению с шумом, так как ёмкость перехода велика. Чтобы увеличить чувствительную область детектора прикладывают к переходу обратное смещение, то есть плюс к n-области и минус к p -области.

Обратное смещение помогает напряжению, возникшему на p -переходе, удалять свободные носители из области вблизи перехода. В результате чувствительный объём детектора, то есть объём обеднённого носителями слоя, в котором существует электрическое поле, увеличивается, а ёмкость перехода уменьшается. Почти полное отсутствие свободных носителей в обеднённой области означает, что удельное сопротивление материала в ней гораздо больше, чем удельное сопротивление полупроводника вне перехода. Известно, что высокое удельное сопротивление материала -основное условие работы полупроводникового детектора.

Рис.4-3 Схема распределения зарядов и полей в p-n переходе с обратным смещением.

Ширина обеднённой области. Ширина обеднённой области соответствует фактически глубине чувствительного объёма детектора. Чем  больше ширина, тем выше эффективность детектора, больше сигнал. Учитывая, что напряжение смещения существенно выше, чем скачёк потенциала на переходе и считая, что подвижность  носителей постоянна получена приближённое выражение для ширины обедненной зоны d  . Для кремния d=1,3·10U, где ρ-удельное сопротивление в ком· см, U- напряжение смещения в вольтах. При U=500 в  и ρ=20 ком см, d = 0,13см.