ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ДЕТЕКТОРА ЧАСТИЦ Советский патент 1974 года по МПК G01T1/24 H01J49/00 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и ядерной физике, к области спектрометрии заряженных частиц.

Известны в основном два типа (полупроводниковых детекторов: детекторы с р-л-;переходом и детекторы на основе однородных, компенсированных материалов германия и кремния. Наилучшее энергетическое разрешение, достигаемое три использовании таких детекторов, составляет 6-10 кав для энергии а и р-частиц в диапазоне 625 кэв - 5 мэв. Например, детекторы, полученные методом дрейфа ионов лития в германии, имеют разрешение 6 кэв для р-частиц с энергией 625 кэв.

Счетчики, на основе компенсированных inoлуяроводников (например германий, легированный литием, или кремний, легированный золотом) имеют следующие недостатки: требуют охлаждения до 90°К и ниже; часто изменяют свои свойства во время эксплуатадии, что обусловлено поляризационными эффектами, связанными с изменением заполнения ловушек; разрешение в таких счетчиках ограничивается токовыми шумами; существуют трудности с технологией введения лития и однородной компенсацией больших объемов материала (0,5-1 см).

Недостатки и ограничения этих счетчиков определяются физическими и технологическими свойствами полупроводникового материала.

Для повышения энергетического разрешения низкоэнергетических частиц при комнатной температуре предлагаемый материал содержит исходную легирующую и компенсирующие примеси в таком количестве, что отношение концентрации неосновных носителей к концентрации основных носителей больше

отношения соответствующих им времен жизни носителей.

Использование такого материала позволяет существенным образом уменьшить геометрические размеры счетчика.

Например, объем счетчика на таком материале будет в 10-10 раз меньше объема однородных счетчиков.

Сущность изобретения состоит IB использовании высокой чувствительности к внешним

воздействиям колебаний электронно-дырочной плазмы типа рекомбинационных волн, которые возникают в таком материале, если к нему приложить достаточное по величине электрическое поле. В электрической цепи колебания типа рекомбинационных волн проявляются как автоколебания тока, но форме близкие к синусоидальным. Для возникновения колебаний электронно-дырочной плазмы необходимо, чтобы в полупроводнике, компенсираванном примесями с глубокими уровнями энергии, выполнялись определениые- соотношения между легирующими доиорными и Зкцептореыми примесями.

В результате IB полупроводнике должно быть обеспечено следующее соотношение между стационарными концентрациями свободных носителей тока и их временами, ж-изни:

.1.

«а Та

где HI и П2-койцейтрация соответственно неосновных и основных носителей, TI и Т2 - времена жизни соотвеиствеино долгоживущих и короткоживущих носителей. Кроме того, дрейфовая длина неосновных носителей дол.жиы быть ольще их диффузионной длины.

Примером такого материала может служить кремний л-типа приводимости, компенсированный цинком таким образом, что между концентрациями цинка () и фосфора () сущест1вует соотношение

.

В таком материале вследствие сильной асимметрии сечений захвата дырки н электрона на верхний уровень цинка (е - 0,51 эв) условие - - 1 выполняется. Величина

П -гр

удельного сопротивления в таком материале должна быть, как это можно показать, больше, чем (1-2)-10 ом-см. Если образец из такого материала включить в цепь яюстоянного тока и приложить к нему поле, превосходящее 40-80 в/см, то в цепи возникнут автоколебания тока по форме близкие к синусоидальным. Частота автоколебаний для образцов, отличающихся по степени компенсации, лежит в пределах 20 f 2000 гц при Т 300°К.

Кремний, компшсированный цинком, можно получить методом диффузионного отжига, проводя диффузию щинка из газовой фазы в вакуумироваяных до мм рт. ст. ампулах. Температура и время диффузии цинка для .каждого исходного материала выбирается так, что:бы вьютолнялось соотношение

.-g,2Nz.

Экспериментально установлено, что если образец кремния, комшенсираванный цинком (IXbSXO мм) поместить в вакуумированный объем растрового электройного микроскапа и подвергнуть его поверхность воздействию электр0нно1го зонда, то частота и амплитуда автоколебаний тока в цепи будут

изменятьс в зйвисймасти or знергии- электронов. Величина тока электронного пучка в опыте ие превышает , а диаметр электронного зонда находится в пределах

200 i 1000A.

ЭШргйй. элшстроасв. изменяет s диапазоне 5-30 кэв. Электрические щнтакты рашолагаются. с прош&оположшзй: (поверхности образца.

На чертеже представлены завиеимости частоты и амплитуды автоколебаний тока от энергии электронов.

Объем, в который проии-катат первичные электроны микрозоида с энергией 5-25 кэв в раз меньше объема области, в которой происходят колебания электронно-дырочной плазмы. Параметры колебаний (частота, амплитуда) обнаруживают высокую чувствительность к локальному электронному потоку с энергией электронов 5--25 кэв. Частотная чувствительность до;стигает 30 гц/кэв. Так каж флюктуация частоты колебаний при Г const не превышает 0,1 гц, то минимальяое приращение энергии электронов, которое в лрииципе можно зарегистрировать, будет порядка 0,005 кэв. На основе такого материала могут быть И31готовлены высокочувствительные счетчики заряженных частиц. Наиболее подходящая область их применения - это спектроскопия заряженных частиц, требующая хорощего разрешения, и специальные задачи ядерной физики.

Такие счетчики we имеют «мертвого слоя, компактны и не требуют источника высокого напряжения.

Недостатком таких счетчиков является температурная загвисимость частоты и амплитуды автоколебаний.

Предмет изобретения

Полупроводниковый материал для детектора частиц, например, на основе кремния /г-типа, комленсированный примесью с глубоким энергетическим уровнем, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетического разрещения низкоэнергетических частиц при комнатной температуре, он содержит исходную легирующую и компексирующую примеси в таком количестве, что отношение концентрации неосновных носителей к кон цантрации О.ШОВНЫХ носителей больше отношения соответствующих им времен жизн.и носителей.

ftruj

500

ifOO

300

200

т

и(м8)

w

8

k

2

10

0

25

20