1 / 37

Polprevodniški detektorji

Polprevodniški detektorji. Lastnosti polprevodnikov Dioda p-i-n Stik kovina polprevodnik Merjenje energije Krajevno občutljivi detektorji Sevalne poškodbe v detektorjih. Literatura: H. Spieler: Semiconductor Detector Systems G. Lutz: Semiconductor Radiation Detectors

mei
Download Presentation

Polprevodniški detektorji

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Polprevodniški detektorji Lastnosti polprevodnikov Dioda p-i-n Stik kovina polprevodnik Merjenje energije Krajevno občutljivi detektorji Sevalne poškodbe v detektorjih Literatura: H. Spieler: Semiconductor Detector Systems G. Lutz: Semiconductor Radiation Detectors S.M. Sze: Physics of Semiconductor Devices Glenn F. Knoll: Radiation Detection and Measurement W.R.Leo: Techniques for Nucear and Particle Physics Experiments Polprevodniški detektorji

  2. Zakaj polprevodniki? • Energijska ločljivost detektorjev odvisna od statističnih fluktuacij števila gibljivih nosilcev naboja, ki nastanejo pri detekciji delca. • Majhna energija potrebna za tvorbo gibljivih nosilcev naboja, ki jih detektiramo → dobra ločljivost • V plinskem detektorju je otrebno nekaj 10eV, v scintilatorju pa od nekaj 100 do nekaj 1000 eV Polprevodniški detektorji

  3. Primerjava: spekter izmerjen z Ge (polprevodniški) in NaJ (scintilacijski) detektorjem Polprevodniški detektorji

  4. Dobra energijska ločljivost → lažje ločevanje signala od ozadja Polprevodniški detektorji

  5. Princip delovanja: Polprevodniški detektor deluje kot ionizacijska celica. Delec, ki ga detektiramo, povzroči nastanek gibljivega para elektron – vrzel z vzbujanjem elektrona iz valenčnega pasu: prevodni pas Elektron prepovedani pas širine Eg Eg Vrzel valenčni pas Polprevodniški detektorji

  6. Hitrost gibanja (driftanja) v električnem polju: µgibljivost Polprevodniški detektorji

  7. Lastnosti polprevodnikov Polprevodniški detektorji

  8. Čisti polprevodnik (brez primesi - intrinsic) n - koncentracija prevodnih elektronov p - koncentracija vrzeli N(E) gostota stanj EF Fermijeva energija Čisti polprevodnik Nevtralnost n=p Fermi-Diracova porazdelitev razmerje efektivnih mas vrzeli in elektronov Polprevodniški detektorji

  9. Ec energija dna prevodnega Ev energija vrha valenčnega pasu Eg =Ec-Evširina prepovedanega pasu Efektivna gostota stanj v prevodnem in valenčnem pasu ni gostota števila prostih nosilcev naboja v čistem polprevodniku (enaka za elektrone in vrzeli) pri sobni temperaturi: Polprevodniški detektorji

  10. Lastnosti polprevodnikov spremenimo, če jim dodamo nečistoče • Donorski nivoji→ nevtralni, če so zasedeni nabiti + če niso zasedeni • Akceptorski nivoji→ nevtralni, če niso zasedeni nabiti -, če so zasedeni Plitvi akceptorji – blizu valenčnega pasu (npr. tri valentni atomi v Si – primer B, Al) Plitvi donorji – blizu prevodnega pasu (npr. pet valentni atomi v Si – primer P, As) Polprevodniški detektorji

  11. n-tip polprevodnika, če dodani donorji p-tip polprevodnika, če so dodani akceptorji Vezalna energija plitvega donorja je zmanjšana zaradi manjše efektivne mase in dielektričnosti za Si V večini primerov lahko privzamemo, da so vsi plitvi donorji (akceptorji) ionizirani, saj so daleč od Fermijevega nivoja. Nevtralnost: Zato se v polprevodniku s primesmi Fermijev nivo premakne: če ND»NA , n tip polprevodnika če NA»ND , p tip polprevodnika Polprevodniški detektorji

  12. Lastnosti polprevodnikov, ki so mu dodane nečistoče Polprevodniški detektorji

  13. Upornost polprevodnikov gibanje naboja v električnem polju E, µgibljivost specifična upornost Polprevodniški detektorji

  14. Struktura p-n Zaradi neenakomerne koncentracije elektronov in vrzeli dobimo difuzijo elektronov proti strani p in vrzeli proti strani n na stiku nastane električno polje Razlika potencialov Vbi = built in voltage, reda velikosti 0.6V K signalu prispevajo samo naboji, ki jih vpadni delec tvori v področju z električnim poljem Polprevodniški detektorji

  15. Zunanja napetost Vbias • če povečuje potencialno bariero, se osiromašeno področje veča, večji aktivni volumen detektorja – napetost v zaporni smeri • če zmanjšuje potencialno bariero, manjši aktivni volumen, velik tok, napetost v prevodni smeri. Višina potencialne bariere: VB= Vbias+ Vbi Kako veliko je osiromašeno področje (xp+xn)? Nevtralnost: Na xp = Nd xn Za električno polje velja Poissonova enačba: Električno polje je linearno, Potencial pa kvadratičen Polprevodniški detektorji

  16. Narašča kot Vbias1/2 če ρ=20000kΩcm in Vbias=1 V → d~75µm Primer: silicij Polprevodniški detektorji

  17. Mrtvi tok Tok ki steče v zaporni smeri Difuzijski tok: • difuzija manjšinjskih nosilcev v področje z električnim poljem • Tok večinskih nosilcev z dovolj veliko termično energijo, da premagajo potencialno bariero Generacijski tok: generacija gibljivih nosilcev s termično ekscitacijo v osiromašeni plasti Polprevodniški detektorji

  18. Verjetnost za eksitacijo se močno poveča, če imamo vmesne nivoje Polprevodniški detektorji

  19. Generacijski tok: → višja T – višji generacijski tok → večja širina prepovedanega pasu Eg , manjši je generacijski tok Posledica: nekatere detektorje je treba hladiti (germanijeve, obsevane silicijeve) Polprevodniški detektorji

  20. Stik kovina polprevodnik (Schottky bariera) Χ elektronska afiniteta Φ izstopno delo Predpostavka Φm >Φs Vbi = Φm- Φs Polprevodniški detektorji

  21. Brez zunanje napetosti Napetost v prevodni smeri Napetost v zaporni smeri OHMSKI KONTAKT: visoka koncentracija nečistoč → tanka bariera → tuneliranje Polprevodniški detektorji

  22. Izdelava polprevodniških detektorjev • Izdelava monokristala v obliki valja: • metoda Czochralski (Cz) Tekoči silicij je v kontaku s posodo – večja koncentracija nečistoč Polprevodniški detektorji

  23. Metoda float zone: Tekoči polprevodnik ni v stiku s stenami posode – Večja čistoča kristalov Polprevodniški detektorji

  24. Fotolitografski postopek Polprevodniški detektorji

  25. Nastanek signala v detektorjih • interakcija delcev s snovjo (nastanek parov elektron –vrzel) • Gibanje nabojev v električnem polju povzroči induciran tok v elektrodah (signal) Interakcija nabitih delcev: Energijo pretežno zgubljajo s tvorbo parov elektron-vrzel: Polprevodniški detektorji

  26. Si ~ povprečno 107 parov elektron-vrzel/µm Polprevodniški detektorji

  27. Absorpcija fotonov • Fotoefekt • Comptonov efekt • Produkcija parov Polprevodniški detektorji

  28. Polprevodniški detektorji

  29. Polprevodniški detektorji

  30. Polprevodniški detektorji

  31. Energijska ločljivost detektorjev Je odvisna od statističnih fluktuacij števila nastalih parov elektron-vrzel: Če se v detektorju absorbira vsa energija delca – E0 (npr.foton se absorbira s fotoefektom, fotoelektron pa se ustavi v detektorju): Povprečno število nastalih parov: εi ~ 3.6eV za Si ~ 2.98 eV za Ge Polprevodniški detektorji

  32. Polprevodniški detektorji

  33. Če imamo veliko število neodvisnih dogodkov z majhno verjetnostjo (nastankov para elektron-vrzel) → binomska porazdelitev → Poissonova Standardna deviacija (koren iz povprečnega kvadrata odmika): Izmerjena ločljivost boljša, kot jo narekuje Poissonova statistika Polprevodniški detektorji

  34. Razlog: nastanki parov e-h odvisni med seboj, saj na razpolago omejena količina energije (fotoelektron izgubi vso energijo). • Fotoelektron izgublja energijo na dva načina: - nastanek parov (Ei~ 1.2 eV za Si) - vzbujanje kristala (fononi) Ex~0.04 eV za Si Povprečno število eksitacij kristala Povprečno število nastankov parov. Ker je razpoložljiva energija omejena (monoernergetski fotoelektroni): Širina porazdelitve energijskih izgub Polprevodniški detektorji

  35. F Fano faktor, ki izboljša resolucijo F ~ 0.1 za silicij Polprevodniški detektorji

  36. Polprevodniški detektorji

  37. Polprevodniški detektorji

More Related