Wstęp i zasada działania

STRONA GŁÓWNA

 

WSTĘP I ZASADA DZIAŁANIA
 

ZŁĄCZE P-N
 

BUDOWA DETEKTORÓW

  detektor jednostronny

  detektor dwustronny

 

ZASTOSOWANIE

 

LITERATURA


Zasada pracy półprzewodnikowych detektorów promieniowania jonizującego opiera się na wykorzystaniu właściwości złącza p-n spolaryzowanego w kierunku zaporowym. W roku 1951 zaobserwowano, że cząstki, przechodząc przez germanowe złącze p-n spolaryzowane zaporowo, generują mierzalny sygnał [2]. Dało to początek zastosowaniom półprzewodnikowych detektorów w fizyce cząstek.

W roku 1980 J. Kemmer [2] zastosował do produkcji krzemowych detektorów technologię planarną. Pozwalało to na wykorzystanie najnowszych technik produkcyjnych przemysłu półprzewodnikowego do wytwarzania detektorów o dobrej powtarzalności parametrów przy stosunkowo dużym uzysku produkcyjnym.

W detektorach wykonanych technologią planarną można było dość łatwo podzielić jedną z elektrod diody na segmenty i zastosować odczyt sygnału z każdego segmentu. To z kolei pozwoliło na zastosowanie detektorów do wyznaczania torów cząstek jonizujących i umożliwiło ich wykorzystanie w eksperymentach fizyki wysokich energii, jako detektorów o dużej rozdzielczości przestrzennej.

 

Cząstka przechodząc przez materiał detektora tworzy pary elektron – dziura. [4]

 

Typowym przykładem takich detektorów może być krzemowy detektor paskowy (ang. silicon strip detector), w którym segmentami są wąskie, długie paski p+. Dokładność określenia punktu przejścia cząstki w tym detektorze jest rzędu pojedynczych mikrometrów, podczas gdy, przykładowo, dokładność detektorów gazowych jest rzędu 100 µm.

Podstawowym materiałem stosowanym do budowy detektorów półprzewodnikowych jest krzem. Spowodowane jest to wieloma zaletami krzemu, takimi jak:

— niska cena i powszechność występowania surowca;

— możliwość łatwego wytwarzania płytek monokrystalicznych o stosunkowo dużych średnicach (rzędu kilkunastu centymetrów);

— łatwość otrzymywania tlenku, który może być wykorzystany w procesach fotolitograficznych oraz jako dobry izolator elektryczny;

— łatwa adaptacja znanych procesów technologicznych dla potrzeb budowy detektorów krzemowych;

— korzystna szerokość przerwy zabronionej — jest ona wystarczająco duża, aby szum spowodowany termiczną generacją nośników ładunku pozwalał na pracę detektora w temperaturach pokojowych.

Wadą detektorów krzemowych jest ich podatność na zniszczenia radiacyjne. Parametry detektorów zaczynają się pogarszać już przy dawkach napromieniowania rzędu pojedynczych megaradów.

Krzemowe detektory są bardzo atrakcyjne dla potrzeb fizyki cząstek ze względu na ich bardzo dobrą rozdzielczość energetyczną. Średnia energia potrzebna do wytworzenia jednej pary elektron-dziura wynosi tylko 3,62 eV. Jest to bardzo mała wartość w porównaniu z innymi rodzajami detektorów. Na zjonizowanie cząstki gazu w detektorze gazowym potrzeba ok. 30 eV, a na wytworzenie jednego fotonu w detektorze scyntylacyjnym zużywa się średnio około 300 eV.

Typowa grubość detektorów wynosi 300 µm, co pozwala wygenerować średnio 32 tysiące par elektron-dziura. Sygnał taki jest wystarczająco wysoki, aby można go było zarejestrować powyżej poziomu szumów.

Detektory krzemowe są również atrakcyjne ze względu na szybkość działania. Ładunek generowany przez cząstkę jonizującą może być zarejestrowany w czasie rzędu 10 ns. Otwiera to możliwość zastosowania tych detektorów w układach wyzwalania oraz szybkich układach detekcyjnych.

Koncentracja nośników ładunku w samoistnym krzemie, w temperaturze pokojowej wynosi ni=1,45 • 1010 cm-3, a w krzemie domieszkowanym jest jeszcze większa. W detektorze o typowej grubości 300 µm i powierzchni l cm2 całkowita liczba swobodnych nośników wynosi ok. 4,5 • 108. Jest to o cztery rzędy wielkości więcej niż oczekiwana wielkość ładunku wygenerowanego przez przechodzącą cząstkę. W tej sytuacji wygenerowany ładunek byłby praktycznie niezauważalny na tle fluktuacji liczby swobodnych nośników. Aby zwiększyć stosunek sygnału do szumu, należy obniżyć temperaturę krzemu (koncentracja swobodnych nośników silnie zależy od temperatury). Drugim rozwiązaniem jest zubożenie całej objętości detektora, co można łatwo uzyskać przy wykorzystaniu właściwości złącza p-n. Na tej zasadzie pracują krzemowe detektory promieniowania jonizującego.