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.