ПОЛУПРОВОДНИКО́ВЫЙ ДЕТЕ́КТОР

Полупроводниковые детекторы: коаксиальный на основе Ge (а), планарный на основе Si (б), дрейфовый на основе Si (в). Чёрными стрелками показаны пути и направления дрейфа электронов и дырок, красной стр...

ПОЛУПРОВОДНИКО́ВЫЙ ДЕТЕ́КТОР, при­бор для ре­ги­ст­ра­ции ио­ни­зи­рую­щих из­лу­че­ний, ма­те­риа­лом чув­ст­ви­тель­ной об­лас­ти ко­то­ро­го яв­ля­ет­ся по­лу­про­вод­ник. По прин­ци­пу дей­ст­вия П. д. ана­ло­ги­чен ио­ни­за­ци­он­ной ка­ме­ре. При по­да­че на­пря­же­ния на кон­так­ты П. д. в по­лу­про­вод­ни­ке об­ра­зу­ет­ся слой с вы­со­кой на­пря­жён­но­стью элек­трич. по­ля (10³– 10⁴ В/см), яв­ляю­щий­ся чув­ст­вит. об­ла­стью (ЧО) при­бо­ра. Час­ти­цы (кван­ты) ио­ни­зи­рую­ще­го из­лу­че­ния с энер­ги­ей ℰ соз­да­ют в ЧО элек­трон­но-ды­роч­ные па́­ры в ко­ли­че­ст­ве, рав­ном ℰ/ε (где ε – энер­гия об­ра­зо­ва­ния па­ры в по­лу­про­вод­ни­ке; напр., для Si ε=3,6 эВ). В элек­трич. по­ле ЧО элек­тро­ны и дыр­ки дрей­фу­ют к кон­так­там П. д., ин­ду­ци­руя на них элек­трич. сиг­нал. Ам­пли­ту­ды сиг­на­лов, соз­да­вае­мых час­ти­ца­ми, про­бег ко­то­рых мень­ше тол­щи­ны ЧО, да­ют энер­ге­тич. спектр час­тиц; ес­ли про­бег боль­ше тол­щи­ны ЧО – ре­ги­ст­ри­ру­ет­ся спектр по­терь энер­гии час­тиц в ЧО. Фор­ма сиг­на­ла за­ви­сит от дли­ны про­бе­га час­ти­цы в ЧО или от точ­ки по­гло­ще­ния кван­та. По­сколь­ку на дли­ну про­бе­га час­ти­цы влия­ют её мас­са и за­ряд, то П. д. по­зво­ля­ет иден­ти­фи­ци­ро­вать час­ти­цы по этим па­ра­мет­рам, а для γ-кван­тов – оп­ре­де­лять точ­ку их по­гло­ще­ния.

В П. д. ис­поль­зу­ют­ся чис­тые мо­но­кри­стал­лы Si, Ge, C (ал­маз), GaAs, CdTe, CdZnTe (в пер­спек­ти­ве так­же SiC и HgI₂). Т. н. по­верх­но­ст­но-барь­ер­ные П. д. на ос­но­ве Si и Ge име­ют струк­ту­ру ме­талл – по­лу­про­вод­ник – ме­талл (МПМ) с Шотт­ки барь­е­ром. МПМ-струк­ту­ры с дву­мя оми­че­ски­ми кон­так­та­ми ис­поль­зу­ют для П. д. на ос­но­ве C, GaAs, CdTe, CdZnTe и HgI₂. Наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли П. д. с p–n-пе­ре­хо­дом в ви­де p⁺–i–n⁺ струк­тур на ос­но­ве Si и Ge. Здесь p⁺ и n⁺ – кон­так­ты, ле­ги­ро­ван­ные ак­цеп­тор­ной и до­нор­ной при­ме­ся­ми со­от­вет­ст­вен­но (со­дер­жа­ние при­ме­сей ок. 10¹⁸–10²⁰ см^–3), i – чис­тый по­лу­про­вод­ник (со­дер­жа­ние при­ме­сей ок. 10¹¹ см^–3).

П. д. под­раз­де­ля­ют­ся на ох­ла­ж­дае­мые и не­ох­ла­ж­дае­мые (в т. ч. вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ные). Ох­ла­ж­дае­мые П. д. ра­бо­та­ют в ин­тер­ва­ле тем­пе­ра­тур 77–140 К и из­го­тав­ли­ва­ют­ся из Ge, не­ох­ла­ж­дае­мые П. д. (230–320 К и вы­ше) – из Si, GaAs, CdTe, CdZnTe. Вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ные П. д. из­го­тав­ли­ва­ют из HgI₂, SiC и С; они ра­бо­та­ют до 350 К, 500 К и 800 К со­от­вет­ст­вен­но.

Для ре­ги­ст­ра­ции час­тиц обыч­но ис­поль­зу­ют П. д. из Si, ре­же из С. Рент­ге­нов­ские и γ-кван­ты де­тек­ти­ру­ют­ся П. д. на ос­но­ве лю­бых опи­сан­ных по­лу­про­вод­ни­ков, при этом эф­фек­тив­ность ре­ги­ст­ра­ции кван­тов рас­тёт как Z⁴ (где Z – сум­мар­ный за­ряд ядер ато­мов хи­мич. эле­мен­тов в со­ста­ве по­лу­про­вод­ни­ка). С учё­том воз­мож­ных раз­ме­ров ЧО П. д. на ос­но­ве Si эф­фек­тив­ны в диа­па­зо­не энер­гий час­тиц от 1 до 18 кэВ, на ос­но­ве GaAs – от 5 до 60 кэВ, на ос­но­ве вы­со­ко­чис­то­го Ge – от 5 кэВ до 10 МэВ, на ос­но­ве CdTe, CdZnTe и HgI₂ – от 5 кэВ до 1 МэВ.

По кон­ст­рук­ции П. д. де­лят­ся на ко­ак­си­аль­ные (один кон­такт рас­по­ло­жен на стен­ках «ко­лод­ца» ци­лин­д­рич. де­тек­то­ра, дру­гой – на его внеш­ней по­верх­но­сти и тор­це, рис., а), пла­нар­ные (по­лу­про­вод­ник на­хо­дит­ся ме­ж­ду плос­ко­парал­лель­ны­ми оми­че­ски­ми кон­так­та­ми, пер­пен­ди­ку­ляр­но ко­то­рым про­ис­хо­дит дрейф со­би­рае­мых но­си­те­лей за­ря­да, рис., б) и дрей­фо­вые (по­лу­про­вод­ник на­хо­дит­ся ме­ж­ду плос­ко­па­рал­лель­ны­ми струк­ту­ри­ро­ван­ны­ми кон­так­та­ми, сиг­нал об­ра­зу­ет­ся на ано­де ма­лой пло­ща­ди за счёт сбо­ра толь­ко элек­тро­нов, рис., в). Ко­ак­си­аль­ные П. д. на ос­но­ве Ge име­ют мак­си­маль­ный для П. д. раз­мер ЧО – до не­сколь­ких со­тен см³, макс. пло­щадь ЧО пла­нар­ных П. д. на ос­но­ве Si – до 100 см². В вы­пус­кае­мых пром-стью дрей­фо­вых П. д. на ос­но­ве Si чув­ст­ви­тель­ная пло­щадь дос­ти­га­ет 1 см² при тол­щи­не ЧО до 0,6 мм (в спец. кон­ст­рук­ци­ях пло­щадь дос­ти­га­ет 35 см² при тол­щи­не 0,3 мм).

Ко­ак­си­аль­ные и пла­нар­ные П. д. в ре­жи­ме счё­та час­тиц (кван­тов) ис­поль­зу­ют­ся для оп­ре­де­ле­ния спек­тра ио­ни­зи­рую­ще­го из­лу­че­ния. Наи­луч­шей раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­стью по энер­гии (R_ℰ) при ре­ги­ст­ра­ции час­тиц об­ла­да­ют П. д. на ос­но­ве Si (R_ℰ до 0,2% для α-час­тиц с ℰ=5,5 МэВ), при ре­ги­ст­ра­ции γ-кван­тов – П. д. из вы­со­ко­чис­то­го Ge (R_ℰ до 0,15% для ℰ=1–2 МэВ), при ре­ги­ст­ра­ции рент­ге­нов­ских кван­тов низ­ких энер­гий – дрей­фо­вые де­тек­то­ры на ос­но­ве Si (R_ℰ до 80 эВ для ℰ=1–2 кэВ). Пла­нар­ные сег­мен­ти­ро­ван­ные (со­стоя­щие из не­сколь­ких де­тек­тор­ных мо­ду­лей) П. д. на ос­но­ве Si обес­пе­чи­ва­ют вы­со­кую по­зи­ци­он­ную чув­ст­ви­тель­ность (до еди­ниц мкм), что ис­поль­зу­ет­ся в сис­те­мах оп­ре­де­ле­ния тра­ек­то­рий дви­же­ния час­тиц.

Боль­шин­ст­во ти­пов П. д. из­го­тав­ли­ва­ют­ся по ин­ди­ви­ду­аль­ной тех­но­ло­гии. Ис­клю­че­ни­ем яв­ля­ют­ся пла­нар­ные П. д. на ос­но­ве Si, тех­но­ло­гия из­го­тов­ле­ния ко­то­рых (ана­ло­гич­ная тех­но­ло­гии крем­ние­вой мик­ро­элек­тро­ни­ки) по­зво­ля­ет од­но­вре­мен­но по­лу­чать де­тек­то­ры раз­ных раз­ме­ров и с раз­ной то­по­ло­ги­ей кон­так­тов на од­ной пла­сти­не Si диа­мет­ром 100–150 мм. Бла­го­да­ря вы­со­кой ав­то­ма­ти­за­ции все­го про­цес­са и кон­тро­ли­руе­мо­сти отд. опе­ра­ций дос­ти­га­ют­ся наи­луч­шие ха­рак­те­ри­сти­ки П. д. и их иден­тич­ность при мас­со­вом вы­пус­ке.