Полупроводниковый детектор - Semiconductor detector

Эта статья о детекторах ионизирующего излучения. О полупроводниковых детекторах в радио см. Детектор (радио), Кристаллический детектор, Полупроводниковые диоды, и Выпрямитель.

А полупроводниковый детектор в физике обнаружения ионизирующего излучения - это устройство, в котором используется полупроводник (обычно кремний или же германий ) для измерения эффекта падающих заряженных частиц или фотонов.

Полупроводниковые детекторы находят широкое применение в радиационная защита, гамма и Рентгеновская спектрометрия, и, как детекторы частиц.

Механизм обнаружения

В полупроводниковых детекторах ионизирующее излучение измеряется количеством носители заряда высвобождается в материале детектора, который расположен между двумя электроды, излучением. Ионизирующее излучение дает свободный электроны и дыры. Число электронно-дырочных пар пропорционально энергии излучения полупроводника. В результате некоторое количество электронов переносится из валентная полоса к зона проводимости, и такое же количество дырок создается в валентной зоне. Под влиянием электрическое поле, электроны и дырки перемещаются к электродам, где они вызывают импульс, который можно измерить во внешнем схема, как описано Теорема Шокли-Рамо. Отверстия движутся в противоположном направлении, и их тоже можно измерить. Поскольку количество энергии, необходимое для создания пары электрон-дырка, известно и не зависит от энергии падающего излучения, измерение количества пар электрон-дырка позволяет определить интенсивность падающего излучения.[1]

Энергия, необходимая для образования электронно-дырочных пар, очень мала по сравнению с энергией, необходимой для образования парных ионов в газовом детекторе. Следовательно, в полупроводниковых детекторах статистическая вариация высоты импульса меньше, а разрешение по энергии выше. Поскольку электроны движутся быстро, временное разрешение также очень хорошее и зависит от время нарастания.[2] По сравнению с детекторы газовой ионизации, то плотность полупроводникового детектора очень высока, и заряженные частицы высокой энергии могут отдавать свою энергию в полупроводнике относительно небольших размеров.

Типы детекторов

Кремниевые детекторы

Датчик прямого кремниевого вершинного детектора (FVTX) Детектор PHENIX на микроскопе показывает расстояние между кремниевыми полосками 75 микрон.[3]

Самый кремний частица детекторы в принципе работают по допинг узкий (обычно около 100 микрометров шириной) силиконовые полоски превратить их в диоды, которые затем обратный смещенный. Когда заряженные частицы проходят через эти полоски, они вызывают небольшие токи ионизации, которые можно обнаружить и измерить. Размещение тысяч этих детекторов вокруг точки столкновения в ускоритель частиц может дать точное представление о том, какой путь движутся частицы. Кремниевые детекторы имеют гораздо более высокое разрешение при отслеживании заряженных частиц, чем более старые технологии, такие как облачные камеры или же проволочные камеры. Недостатком является то, что кремниевые детекторы намного дороже этих старых технологий и требуют сложного охлаждения для уменьшения токов утечки (источника шума). Они также со временем деградируют из-за радиация, однако его можно значительно уменьшить благодаря Эффект Лазаря.

Детекторы алмазов

Алмаз детекторы имеют много общего с кремниевыми детекторами, но ожидается, что они будут предлагать значительные преимущества, в частности высокую радиационную стойкость и очень низкие дрейфовые токи. В настоящее время они намного дороже и сложнее в производстве.

Детекторы германия

Детектор из высокочистого германия (отключен от дьюара с жидким азотом)

Германий детекторы в основном используются для гамма-спектроскопия в ядерная физика, а также рентгеновская спектроскопия. В то время как кремниевые детекторы не могут быть толще нескольких миллиметров, германий может иметь обедненную чувствительную толщину сантиметров и, следовательно, может использоваться в качестве детектора полного поглощения для гамма-лучей до нескольких МэВ. Эти детекторы также называются детекторами из высокочистого германия. (HPGe) или детекторы сверхчистого германия. До того, как современные методы очистки были усовершенствованы, германий кристаллы не могли быть произведены с чистотой, достаточной для использования в качестве детекторов спектроскопии. Примеси в кристаллах захватывают электроны и дырки, нарушая работу детекторов. Следовательно, кристаллы германия были легированы литий ионов (Ge (Li)), чтобы произвести внутренний область, в которой электроны и дырки могут достигать контактов и генерировать сигнал.

Когда были впервые разработаны германиевые детекторы, были доступны только очень маленькие кристаллы. Результатом была низкая эффективность, и эффективность германиевого детектора до сих пор часто указывается относительно «стандартного» сцинтилляционного детектора NaI (Tl) размером 3 дюйма на 3 дюйма. С тех пор методы выращивания кристаллов были усовершенствованы, что позволяет изготавливать детекторы размером с обычно доступные кристаллы NaI или больше, хотя такие детекторы стоят более 100 000 евро (113 000 долларов США).

По состоянию на 2012 год, Детекторы HPGe обычно используют диффузию лития для создания п+ омический контакт, и имплантация бора, чтобы сделать п+ контакт. Коаксиальные детекторы с центральным n+ контакт называются детекторами n-типа, в то время как детекторы p-типа имеют p+ центральный контакт. Толщина этих контактов представляет собой мертвый слой вокруг поверхности кристалла, внутри которого выделение энергии не приводит к сигналам детектора. Центральный контакт в этих детекторах противоположен поверхностному контакту, поэтому мертвый слой в детекторах n-типа меньше, чем мертвый слой в детекторах p-типа. Типичная толщина мертвого слоя составляет несколько сотен микрометров для диффузионного слоя Li и несколько десятых микрометра для имплантируемого слоя B.

Основным недостатком германиевых детекторов является необходимость их охлаждения до жидкий азот температуры для получения спектроскопических данных. При более высоких температурах электроны могут легко пересекать запрещенная зона в кристалле и достигают зоны проводимости, где они могут свободно реагировать на электрическое поле, производя слишком много электрических шумов, чтобы их можно было использовать в качестве спектрометра. Охлаждение до температуры жидкого азота (77 К) снижает тепловые возбуждения валентных электронов, так что только взаимодействие гамма-лучей может дать электрону энергию, необходимую для пересечения запрещенной зоны и достижения зоны проводимости. Охлаждение жидким азотом неудобно, так как детектору требуется несколько часов, чтобы остыть до Рабочая Температура прежде, чем его можно будет использовать, и нельзя позволять нагреваться во время использования. Кристаллы Ge (Li) никогда не могли нагреваться, так как литий вылетал из кристалла, разрушая детектор. Когда детекторы HPGe не используются, можно дать им нагреться до комнатной температуры.

Появились коммерческие системы, в которых используются передовые методы охлаждения (например, холодильник с импульсной трубкой ), чтобы исключить необходимость охлаждения жидким азотом.

Детекторы теллурида кадмия и теллурида кадмия и цинка

Теллурид кадмия (CdTe) и теллурид кадмия и цинка (CZT) детекторы были разработаны для использования в Рентгеновская спектроскопия и гамма-спектроскопия. Высокая плотность этих материалов означает, что они могут эффективно ослаблять рентгеновское и гамма-излучение с энергией более 20 кэВ, что обычно кремний -сенсоры не могут обнаружить. Широкий запрещенная зона этих материалов также означает, что они имеют высокий удельное сопротивление и могут работать при комнатной температуре (~ 295K) или близкой к ней, в отличие от германий датчики на основе. Эти детекторные материалы могут быть использованы для изготовления датчиков с различной конструкцией электродов для визуализация и высокое разрешение спектроскопия. Однако детекторы CZT обычно не могут соответствовать разрешающей способности германиевых детекторов, причем отчасти это различие связано с плохим переносом положительных носителей заряда к электроду. Усилия по смягчению этого эффекта включали разработку новых электродов, которые исключают необходимость сбора носителей обеих полярностей.[4][5]

Автоматическое обнаружение

Детекторы германия

HPGe автоматизирован с помощью недорогого автосэмплера с открытым исходным кодом.
HPGe автоматизирован с помощью недорогого автосэмплера с открытым исходным кодом.

Автоматическое обнаружение для гамма-спектроскопии в природных образцах традиционно было дорогостоящим, поскольку анализаторы должны быть защищены от фонового излучения. Однако недавно для такого рода анализов появился недорогой автосэмплер.[6] Его можно интегрировать в разные инструменты от разных производителей с помощью скриптового языка AutoIt.[7] для операционной системы Microsoft Windows.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Кнолль, Г.Ф. (1999). Обнаружение и измерение радиации (3-е изд.). Вайли. ISBN  978-0-471-07338-3. p365
  2. ^ Knoll, стр. 119
  3. ^ Капустинский, Джон С. (17 ноября 2010 г.). "Чип считывания датчиков / FPHX WBS 1.4.1 / 1.4.2" (PDF). Получено 7 августа 2017. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  4. ^ Люк, П. Н. (1994-11-01). «Униполярное считывание заряда с компланарными электродами - Применение в полупроводниковых детекторах». OSTI  34411. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  5. ^ Капустинский Ю.С., Nucl. Instrum. Meth. А 617 (2010) 546 - 548.
  6. ^ Карвалью, Матеус (2018). «Auto-HPGe, автоматический пробоотборник для гамма-спектроскопии с использованием детекторов из высокочистого германия (HPGe) и тяжелых экранов». ОборудованиеX. 4: e00040. Дои:10.1016 / j.ohx.2018.e00040.
  7. ^ Карвалью, Матеус (2016). Практическая автоматизация лаборатории: стало проще с AutoIt. Wiley VCH. ISBN  978-3527341580.