Полупроводниковые детекторы

Полупроводниковые детекторы представляют собой устройства, предназначенные для регистрации ионизирующего излучения на основе явлений, происходящих в полупроводниковых материалах. Их функционирование базируется на создании электронно-дырочной пары при взаимодействии излучения с кристаллической решёткой, что позволяет конвертировать энергию ионизирующих частиц непосредственно в электрический сигнал высокой точности.

Физическая основа работы

Основным принципом работы полупроводниковых детекторов является генерация пар носителей заряда (электрон–дырка) при прохождении ионизирующего излучения через полупроводниковый материал. Количество образованных пар пропорционально энергии частицы или фотона, что обеспечивает прямую зависимость электрического сигнала от энергии ионизирующего излучения.

Важнейшие характеристики полупроводниковых материалов для детекторов:

  • Энергетическая ширина запрещённой зоны (Eg): определяет термическую генерацию носителей. Меньшая ширина приводит к высокому фоновому току при комнатной температуре, поэтому для детекторов выбираются материалы с широкой зоной Eg или используются методы охлаждения.
  • Мобильность носителей заряда: высокая подвижность электронов и дырок обеспечивает быстрый отклик и минимальные потери сигнала.
  • Чистота и монокристаллическая структура: дефекты создают локальные уровни, которые захватывают носители и ухудшают энергетическое разрешение.

Основные материалы

Наиболее часто используемые полупроводниковые материалы:

  1. Германий (Ge): обеспечивает высокое энергетическое разрешение в диапазоне гамма-излучения. Для снижения фонового тока требуется криогенное охлаждение (обычно жидким азотом).
  2. Кремний (Si): применяется для регистрации бета-частиц и низкоэнергетических рентгеновских фотонов. В детекторах используется структура p–n перехода или поверхностного барьера.
  3. Теллурид кадмия (CdTe) и теллурид кадмия–ртуть (CdZnTe, CZT): эффективны для детектирования рентгеновского и гамма-излучения при комнатной температуре благодаря высокой атомной массе и широкой запрещённой зоне.

Конструктивные типы детекторов

  1. P–N переход: классическая структура, где область обеднённого p–n перехода играет роль чувствительного объёма. При прохождении ионизирующей частицы создаются пары носителей, которые под действием электрического поля разделяются и создают токовый импульс.
  2. Поверхностный барьер: применяется в кремниевых и германиевых детекторах. Тонкий слой металла на поверхности создаёт барьер для свободных носителей, уменьшая утечки и обеспечивая высокое энергетическое разрешение.
  3. Слежение и сегментированные детекторы: многосегментные кристаллы позволяют определять координаты взаимодействия, что важно в ядерной спектроскопии и медицинской визуализации.

Электронная схема и обработка сигнала

Сигнал от полупроводникового детектора формируется через преобразование токового импульса в напряжение, последующую фильтрацию и усиление. Основные элементы:

  • Предусилитель: интегрирует заряд и формирует короткий электрический импульс.
  • Формирователь (shaper): придаёт импульсу определённую форму для повышения соотношения сигнал/шум.
  • Спектрометр: позволяет анализировать энергию регистрируемого излучения с высокой точностью.

Преимущества полупроводниковых детекторов

  • Высокое энергетическое разрешение (особенно у HPGe-детекторов).
  • Компактность и стабильность работы по сравнению с газонаполненными детекторами.
  • Прямое преобразование энергии излучения в электрический сигнал, что снижает потери и упрощает спектральный анализ.

Ограничения и методы улучшения

  • Необходимость криогенного охлаждения для некоторых материалов (Ge).
  • Чувствительность к механическим повреждениям и радиационному повреждению кристаллов.
  • Фоновый ток при комнатной температуре, особенно в кремниевых детекторах, решается использованием охлаждения или полевых структур.

Для повышения эффективности применяются:

  • легирование для уменьшения числа ловушек;
  • многосегментная компоновка для локализации взаимодействий;
  • использование компенсированных или поликристаллических материалов с оптимизированной структурой.

Применение

Полупроводниковые детекторы находят широкое применение в:

  • Радиационной спектроскопии для точного измерения гамма- и рентгеновского излучения;
  • Ядерной физике и медицинской диагностике (ПЭТ, СPECT);
  • Контроле радиоактивных веществ и экологическом мониторинге;
  • Научных исследованиях космических лучей благодаря высокой чувствительности и точности измерений.

Эффективность полупроводниковых детекторов обеспечивается сочетанием высокоточной физики полупроводников, кристаллографии и современных электронных схем, что делает их незаменимыми инструментами радиохимии и радиационной аналитики.

Оглавление