ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР в ядерной
физике, прибор для регистрации ионизирующих излучений, основным
элементом к-рого является кристалл полупроводника. П. д. работает
подобно ионизационной камере с тем отличием, что ионизация происходит
не в газовом промежутке, а в толще кристалла. П. д. представляет собой
полупроводниковый
диод, на к-рый подано обратное (запирающее) напряжение (10²в).
Слой полупроводника вблизи границы р-n-перехода
(см. Электронно-дырочный
переход) с объёмным зарядом "обеднён" носителями тока (электронами
проводимости и дырками) и обладает высоким удельным электросопротивлением.
Заряженная частица, проникая в него, создаёт дополнит, (неравновесные)
электронно-дырочные пары, к-рые под действием электрич. поля "рассасываются",
перемещаясь к электродам П. д. В результате во внешней цепи П. д. возникает
электрич. импульс, к-рый далее усиливается и регистрируется (см. рис.).

Полупроводниковые детекторы; штриховкой
выделена чувствительная область; n-область полупроводника с электронной
проводимостью, р- с дырочной, i - с собственной проводимо-стями;
а - кремниевый поверхностно-барьерный детектор; б- дрейфовый германий-литиевый
планарный детектор; в - гер. маний-литиевый коаксиальный детектор.

Заряд, собранный на электродах П. д., пропорционален
энергии, выделенной частицей при прохождении через обеднённый (чувствительный)
слой. Поэтому, если частица полностью тормозится в чувствит. слое, П. д.
может работать как спектрометр. Средняя энергия, необходимая для образования
1 электронно-дырочной пары в полупроводнике, мала (у Si 3,8 эв, у
Ge 2,9 эв). В соч-етании с высокой плотностью вещества это nosj воляет
получить спектрометр с высокой разрешающей способностью (0,1% для энергии
1 Мэв). Если частица полностью тормозится в чувствит. слое, то
эффективность её регисграции 100%. Большая подвижность носителей тока
в Ge и Si позволяет собрать заряд за время 10 нсек, что обеспечивает
высокое временное разрешение П.д. В первых П. д. (1956-57) использовались
поверхностно-барьерные (см.
Шотки диод) или сплавные р-n-переходы
в Ge. Эти П. д. приходилось охлаждать для снижения уровня шумов (обусловленных
обратным током), они имели малую глубину чувствит. области и не получили
распространения. Практич. применение получили в 60-е гг. П. д. в виде поверхностно-барьерного
перехода в Si (рис., а). Глубина чувствит. области W в случае поверхностно-барьерного
П. д. определяется величиной запирающего напряжения V:

Здесь р - удельное сопротивление
полупроводника в ом*см. Для поверхностно-барьерных переходов в Si
с р = = 10⁴ ом*см при V = (1-2)10²e,
W
=1 мм. Эти П. д. имеют малые шумы при комнатной темп-ре и применяются
для регистрации короткопробежных частиц и для измерения удельных потерь
энергии dE/dx.

Для регистрации длиннопробежных частиц
в 1970-71 были созданы П. д. р - i -n - типа (рис., б). В
кристалл Si р-типа вводится примесь Li. Ионы Li движутся в р-области перехода
(под действием электрич. поля) и, компенсируя акцепторы, создают широкую
чувствит. г-область собственной проводимости, глубина к-рой определяется
глубиной диффузии ионов Li и достигает 5 мм. Такие дрейфовые кремний-литиевые
детекторы используются для регистрации протонов с энергией до 25 Мэв,
дейтронов-до
20 Мэв, электронов - до 2 Мэв и др. Дальнейший шаг в развитии
П. д. был сделан возвращением к Ge, обладающему большим порядковым номером
Z и, следовательно, большей эффективностью для регистрации
гамма-излучения.
Дрейфовые
германий-литиевые плоские (планарные) П. д. применяются для регистрации
у-квантов с энергией в неск. сотен кзв.
Для регистрации у-квантов
с энергией до 10 Мэв используются коаксиальные германий-литиевые
детекторы (рис., в) с чувствит. объёмом достигающим 100 см³.
Эффективность регистрации у-квантов с энергией < 1 Мэв
десятков % и падает при энергиях >10 Мэв
до 0,1-0,01%. Для частиц
высоких энергий, пробег к-рых не укладывается в чувствит. области, П. д.
позволяют, помимо акта регистрации частицы, определить удельные потери
энергии d/dx, а в нек-рых приборах координату
х частицы
(позиционно-чувствит. П. д.).

Недостатки П. д.: малая эффективность при
регистрации у-квантов больших энергий; ухудшение разрешающей способности
при загрузках > 10⁴ частиц в сек, конечное время жизни
П. д. при высоких дозах облучения из-за накопления радиационных
дефектов (см. Радиационные дефекты в кристаллах). Малость размеров
доступных монокристаллов (диаметр 3 см, объём 100 см³)
ограничивает
применение П. д. в ряде областей.

Дальнейшее развитие П. д. связано с получением
"сверхчистых" полупроводниковых монокристаллов больших размеров и с возможностью
использования GaAs, SiC, CdTe (см. Полупроводниковые материалы). П.
д. широко применяются в ядерной физике, физике элементарных частиц, а также
в химии, геологии, медицине и в пром-сти.

Лит.: Полупроводниковые детекторы
ядерных частиц и их применение, М., 1967; Дирнли Дж., Нортроп Д., Полупроводниковые
счетчики ядерных излучений, пер. с англ., М., 1966; Полупроводниковые детекторы
ядерного излучения, в сб.: Полупроводниковые приборы и их применение, в.
25, М., 1971 (Авт.: Рыбкин С. М., Матвеев О. А., Новиков С. Р.,Строкан
Н. Б.). А. Г. Беда, В. С. Кафтанов.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я