Твёрдотельные, полупроводниковые детекторы, страница 2

Рис.4-1 Зонные схемы полупроводников с различными типами проводимости. Здесь  а-собственный полупроводник

 При этом в валентной зоне остаются подвижные дырки. Основными носителями в примесном полупроводнике называют те носители, концентрация которых больше, а не основными -носители с меньшей концентрацией. Поскольку разность энергий между дном зоны проводимости и донорным уровнем, а так же между акцепторным уровнем и потолком валентной  зоны существенно меньше ширины запрещённой зоны, то соответствующие пороговые энергии фотонов тоже будут меньше, чем в случае собственной проводимости.

Регистрация излучения полупроводниковым счётчиком подобна регистрации фотонов газовой камерой и сводится к измерению импульсов напряжения, возникающих в результате возрастания проводимости кристалла под действием поступающих в него квантов.

Внешнее напряжение создаёт внутри кристалла электрическое поле. Образовавшиеся под действием квантов излучения  разноимённые носители двигаются к электродам под действием этого поля. По мере смещения носителей они индуцируют на электродах заряд , пропорциональный пройденной ими разности потенциалов. При этом заряд Q=E/ω, где Е-энергия кванта, ω- энергия образования пары носителей. За время сбора t=d/μ_ε, (где d- ширина области  между собирающими электродами , μ_ε, -подвижность) заряд  создаст на электродах  детектора ,обладающего емкостью С импульс напряжения U=Q/C.

Для того, чтобы сигнал на выходе был пропорционален энергии потерянной квантом в слое полупроводника необходимо, чтобы этот полупроводник имел следующие характеристики:

-малая величина средней энергии, расходуемой на создание одной пары носителей заряда;

-отсутствие рекомбинации и захвата носителей;

-большой подвижностью носителей обеих знаков;

-большим удельным сопротивлением.

Рассмотрим эти характеристики.

Чем меньше величина средней энергии, тем больше носителей возникает и тем больший сигнал, снимаемый с детектора. В полупроводнике средняя энергия  на порядок меньше, чем энергия ионизации газа в ионизационной камере и на два порядка меньше, чем  у сцинтилляционного счётчика. Следовательно, энергетическое разрешение у полупроводникового счётчика выше.

В стационарном состоянии скорость генерации свободных носителей равна скорости их рекомбинации. Если рекомбинация  носителей велика, то уменьшается собранный заряд и во-вторых, что более существенно, число носителей будет сильно флюктуировать и энергетическое разрешение ухудшится. Если в объёме имеется большое количество ловушек, то захват носителей может привести к  возникновению объёмных зарядов, поле которых направлено противоположно внешнему, так, что счётчик перестанет работать.

Скорость перемещения носителей к электродам определяется  напряжённостью электрического поля и подвижностью носителей. Чем больше подвижность, тем меньше время сбора носителей и тем лучше разрешающее время счётчика. Если подвижности положительных и отрицательных носителей равны или близки друг другу, то амплитуда сигнала такого детектора не будет зависеть от места образования носителей заряда внутри чувствительного объёма  при любом соотношении между временем сбора и постоянной времени входного каскада усилителя сигнала.

Любой полупроводник, используемый в качестве  детектора, обладает конечным сопротивлением. Число носителей заряда, перемещающихся между электродами испытывает статистические флюктуации, абсолютная величина которых тем больше, чем больше ток.. Если флюктуации тока по величине становятся сопоставимы с числом носителей, образованных  под действием излучения, то становится невозможным отличить полезные сигналы от шума.

Лучше всего удовлетворяют всем перечисленным требованиям кристаллы кремния и  германия. Их свойства приведены в таблице 4-1.

Подвижности носителей близки по величине и при охлаждении кристаллов резко возрастают, следовательно, улучшаются временные характеристики детектора.