Детектор ядерного излучения

Союз Советских Социалистических Республик1793101,/26-2 явкиГосударственный комитет Совета Министров СССР Бюччетень апса ния 30.04.70 53) УДК 539.107.455(088,8) по делам изобретеии ткрытии(72) Автор изобретеш В, В. Ткачевститут космических исследований АН СССР(71) Заявител 54) ДЕТЕКТОР НОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Для точных количественных измерений характеристик ядерного излучения необходимы детекторы, в которых толщины В обедненных слоев точно определены. Особенно это важно для тонких проходных детекторов, т. е. детекторов с обеднеццымп слоями. составляющими единицы - десятки микрон. Определенные типы ядерных излучений могуг проходить такие детекторы насквозь и терять только часть своей энерпц в обедненном слое. Доля выделенной в детекторе энергии определяется как типом частицы ядерного излучения, ее энергией, так и толщиной обедненного слоя. Ниже этой гран 1 пы внешнее приложенное электрическое поле це проникает в полупроводник, т. е. оцо равно нулинДля уменьшения влияния диффузионной компоненты стремятся сделать минимальной толщины д полупроводника между омическцм контактом и ооедненной областью, д 0. Сделать д=0 не мдается, так как если обед. нецныц слой достигает омического контакта, то резко возрастают шумы детектора, Связано это с технологическим несовершенством омических контактов, в результате чего последние ицжектируют неосновные носители в обедненную область. На практике величина д составляет обычно единицы микрон. В то же время для некоторых задач экспсриментальИзобретение относится к области полупроводникового приооростроения и может быть использовано при разработке и изготовлении полупроводниковых детекторов ядерного излучения,Детекторы ядерного излучения, имеющие структуру металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-детекторы) с геометрически точным чувствительным слоем, могут быть использованы в приборах для регистрации и точных количественных измерений характеристик ядерного излучения. Для этих целей применяют поверхностно-барьерные полупроводниковые детекторы (и - р - детекторы).Поверхностно-барьерные детекторы изготовля(от обычно из кристалла кремния электронного типа проводимости, на поверхности которого в результате технологической обработки образуется слой дырочного типа проводимости, или инверсный слой. На поверхность этого слоя цапыляют в вакууме золотой электрод, а на обратную сторону кристалла - омический контакт. На полученный детектор, являющийся по существу полупроводниковым диодом, подают через сопротивление запирающее напряжение, в результате чего в кристалле полупроводника возникает слой, обедненный основными носителями и являющийся чувствительной обло".-ь 1 о детектора.ной физики, связанных с энергетическими измерениями ядер цлц осколков деления на фоне других заряженных частиц, необходимы тонкие детекторы с толщ:нами О обедненных слоев порядка елнннц микрон. В этом случае толщины 1) Обедненного слоя оказывается сравнимой с толпиной д полупроводника между Ооляс ГьО ООелненц 51 ц Оми 1 еским контактом. Вклад диффузионной компоненты в гакнх детекторах значителен, что затрудняет проведспнс измерений с большой точностью.Цель изобретения - повышение точности детектора ядерного излучения со структурой металл - диэлектрик - полупроводник зы счег исключения вклады диффузионной компоненты в выходной сигнал.Цель достигается тем, что предлагаемый МДП-детекгор ядерного излучения изготовляют ца полупроводниковой пластине, с одной стороны которой проведена диффузия примеси так, чтобы концентрация основных носителей полупроводника возрастала по направленпо к поверхности полупроводниковой пластины. Б дальнейшем ня эту поверхность наносят тшкцй слон диэлектрика, а на диэлектрик- - ме 1 ыллцческий электрод. С обратной стороны нозупроволнцковой пластины 1 п 1 лп 51 к 11 ОмпческпЙ контакт. Если к такому МДП-детектору приложить внешнее нянря:кение так, 11 Ооы в п 15 инове 1)хпостн 011 001 ястн нолунроволн:1 кы (с той стороны, где нанесен диэлектрик) образовался слой, обедненный основными носителями, то в полупрогодниковой пластине на некоторой глубине ооразуется потенциальная яма, которая препятствует вкладу диффузионной компоненть 1 в выходной сигнал.В таких детекторах геометрически точно определена граница чувствительной области, которая определяется координатой потенциальной ямы.На фиг. 1 схематически изображена структура известного поверхностно-барьерного детектора; на фнг. 2 - структура предлагаемого МДП-детектора; на фцг. 3 приведены энергетические зонные диаграммы приповерхностной области предлагаемого МДП-детектора; на фиг. 4 показана конструкция предлагаемого МДП-детектора.Г 1 редлагаемый (и известный) детектор изготовлян 1 т из кристалла кремния 1 п-типы проводимости, на поверхности после технологической обработки которого образуется инверсный слой 2 р-типа; на последний напыляют в вакууме золотой электрод 3; на другую сторону кристалла напыляют омический контакт 4.В обедненной области 5 находятся положительные заряды Лонорных примесей.Рассмотрим энергетическую зонную диаграмму приповерхностной области МДП-детектора, где используется неоднородный полупроводник, концентрация основных носителей которого (электронов) возрастает к той поверхности, где нанесен диэлектрический слой д 1 О 5 20 э," 30 35 40 45 50 50 60 65(фнг. 3, а). 11 я практике такое прцповерхност ное легцроанне .1 егко осу 1 цествляется путем диффузии Лонорной примеси в полупроодниковую пластину. Если к такому детектору не приложено внешнее смещение, то края .1 Он ы проводи мости, ал ентной зоны и уровень 3, цзогну 1 ы вниз, т. с. зя счет неравномерной концен 1 рыцнц основных ноштелей нрипо.верхпостной области полупроводника существует внутреннее электрическое поле, Глубина, ло которой существует внутреннее электрическое поле, определяется глубиной проведенной диффузии в процессе поверхностного легнрованця ц легко может быль контролируема.Если к такому МДП-детектору приложить псншсс напр 51 жснце смещения - Е и если глубцпа проникновения ьч 1 ешнсго электрического поля меньше, чем глубина внутреннего электрического поля, то получается характерное распределение приповерхностного потенциала, показанное на фиг. 3, б.Как ц в простом МДП-детекторе, здесь также имеется обелнснный слой толщиной с 1 в и цнверсныЙ с,10 Й т 0.11 цинОЙ дшц которые 5,151- к 1 тся чуствцгельной оолястьк 1 детектора Отлцительной осооснностью МДП-летекторы с неоднородно легцроанным полупроводником являсгся то, то зонняя диаграмма имеет потенццыльну 10 яму 1 (фцг, 3, б). В нижней точке 11 потенциальной ямы напряженность элекгрцческого поля равна нулк 1. Кроме того, при переходе через эту точку вектор напряженности электрического поля меняет свой знак. Тяк, если направление электрического поля правее точки 11 таково, что под действием его неравновесные дырки, образованные частицей ядерного излучения, двигаются к инверсному слою и дают выходной сигнал, то левее точки 11 неравновесные дырки двигаются в противоположном направлении, т. е. в объем полупроводника, и не дают вклада в выходной сигнал. Таким образом, координата минимума потенциальной ямы геометрически точно определяет границы чувствительного слоя МДП-детектора, Неравновесные дырки, образованные левее точки минимума потенциальной ямы, не могут за счет диффузии попель в обедненную область, так как направ.1 сн 1 ц электрического поля препятствует такому движению, Следовательно, в выходном сцп 1 але МДГ 1-детектора ядерного излучения, изготовленного на основе неоднородно легировгпшой полупроводниковой пластины, отсутствует медленная компонента,Технология изготовления таких детекторов сравнительно проста.Детектор изготовлен на полупроводниковой и-гипа кремниевой пластине. На поверхности, где была предварительно проведена диффузия донорной примеси, создан диэлектрический слой двуокиси кремния Ь 10. На диэлектрический слой нанесен алюминиевый металлический слой (электрод), который соединяется с ыволамц б стандартного металлостеклян 445366ного корпуса с помощью золотых проволочек 7. Золотые проволочки приваривают к металлическому электроду 3 и выводам 6 методом термокомпрессии. На обратную сторону кремниевой пластины нанесен омический контакт, который припаивается к корпусу 8. От корпуса имеется вывод 9. В крышке 10 корпуса имеется отверстие 11, через которое частицы ядерного излучения попадают в детектор.Предлагаемый МДП-детектор ядерного излу,ения имеет низкий уровень собственных .пумов, технологичен в изготовлении, обладает хорошей надежностью, имеет высокое временное разрешение. Фор мула изобретенияДетектор ядерного излучения на основеструктуры металл-диэлектрик-полупроводник, отл и ч а ю щи й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, полупроводнико вый элемент выполнен с градиентом концентрации носителей, максимум которой находит.ся у поверхности с диэлектрическим слоем. Камышникова Изд Ло 275 Т Государственного комитета Сопо делам изобретений и от 13035, Москва, Ж, Раушска ииография, ир. Сапунова, 2 1 одписиоеСССР