Detectori cu jonctiune p-n obtinuta prin difuzie

Detectori cu jonctiune p-n obtinuta prin difuzie

O astfel de jonctiune se realizeaza prin difuzia termica de impuritati la suprafata unui cristal de rezistivitate uniforma. Daca cristalul este de tipul n, impuritatile vor fi de tip p si invers. Aceasta suprafata reprezentand in general partea pe unde intra particulele ('fereastra de intrare') este important ca profunzimea la care se gaseste jonctiunea sa fie cat mai mica posibil (<1μ) deoarece aceasta zona incetineste particulele fara a permite colectarea sarcinilor. Densitatea dopajului la suprafata este cu mult superioara (~ 10⁶ ori) densitatii de impuritati electric active din interiorul volumului detectorului. Se pot realiza jonctiuni n⁺- p sau p⁺- n, dopajul in exces n⁺ si p⁺ corespunzand ferestrei de intrare de rezistivitate mica. Tehnicile de fabricatie actuale permit realizarea unor ferestre de grosime ~ 0,1μ.

Fabricarea jonctiunilor prin difuzie, de exemplu n⁺-p, implica urmatoarele etape: Materialul de baza, siliciul de tip p cu o rezistivitate nu prea mare ~ 10³Ω^.cm, este taiat in forma dorita (disc, paralelipiped etc.) dupa care urmeaza o polizare fina cu abraziv si o decapare chimica. Impuritatea donoare (fosforul) este difuzata la o temperatura de 800 - 1200^oC in atmosfera de gaz inert pentru a se evita oxidarile. Temperatura la care se face difuzia si timpul de difuzare sunt esentiale pentru obtinerea unui strat n⁺ de grosime cat mai mica. Astfel, prin difuzia fosforului timp de 10 minute la o temperatura de 900^oC se obtine un strat n⁺ de grosime l_n 0,3μ. Pentru un strat n⁺ de grosime l_n fereastra de intrare are o grosime l_f~l_n/2 (fig.2.33). Contactele electrice trebuie sa fie pur ohmice incat sa nu permita injectia purtatorilor minoritari. O spirala sau panglica de Au sau Al, fixate cu un ciment conductor constituie de regula contacte satisfacatoare. In fig. 2.34 este prezentat schematic un aranjament tipic de detector cu jonctiune n⁺p.

Fig. 2.33. Sectiune printr-un detector Fig.2.34. Capsula continand un

cu jonctiune n⁺p detector de tip n⁺p

Carcasa metalica este vidata sau umpluta cu azot. Din cauza concentratiei diferite a purtatorilor se petrece la contactul celor doua zone o difuzie a golurilor inspre regiunea n si o difuzie a electronilor inspre regiunea p. Electronii difuzati inspre regiunea p se recombina imediat cu golurile din aceasta regiune lasand in urma lor donori ionizati datorita carora apare astfel o sarcina spatiala pozitiva (fig.2.35).

In mod similar, golurile difuzate in regiunea n se recombina cu electronii de aici, lasand in urma lor o sarcina spatiala negativa. Astfel in regiunea de trecere, jonctiunea p-n, densitatea purtatorilor mobili de sarcina este mult mai mica decat a purtatorilor imobili (ioni donori si acceptori) de unde si denumirea de strat 'saracit' sau 'liber' de purtatori. Este o regiune de mare rezistivitate in care sarcinile spatiale existente de o parte si de alta a jonctiunii creeaza un camp electric intens orientat de la regiunea n spre regiunea p. Tot aici apare un salt intern de potential U_o(~0,7V pentru Si si ~0,3V pentru Ge) care opreste continuarea acestei difuzii, introducand un echilibru in trecerea purtatorilor de un anume fel, dintr-o parte in cealalta. In fig. 2.35 se indica distributia de sarcina a ionilor donori si acceptori, intensitatea campului electric si potentialului.

Fig. 2.35. Sarcina, campul si distributia de

potential intr-o dioda polarizata invers

Ca rezultat al saltului intern de potential se creeaza o regiune libera de purtatori-regiunea sensibila-de grosime d. Aceasta poate fi marita asa cum se va vedea mai tarziu prin aplicarea unei tensiuni inverse U_i (fig.2.35).

La trecerea particulei ionizante prin zona sensibila (libera de purtatori) se produc perechi electron-gol care se deplaseaza in camp, dand nastere unui puls pe rezistenta R.

Jonctiunea folosita ca detector se deosebeste de cea folosita in redresare prin aceea ca grosimea d a stratului saracit este mai mare si jonctiunea se afla la suprafata dispozitivului. Prima particularitate este dictata de necesitatea unui volum sensibil cat mai mare al detectorului, iar cea de a doua de conditia ca 'fereastra' (partea pe unde intra particulele in volumul sensibil al detectorului) sa aiba o grosime mica in care particulele incidente sa-si piarda doar o parte neglijabila din energie.

Se evalueaza grosimea zonei sensibile d astfel. Notand cu N_a numarul ionilor acceptori in unitatea de volum din regiunea p (fig.2.35) avem conform legii lui Laplace:

(2.73)

unde ε este constanta dielectrica a mediului (cea relativa este egala cu 12 pentru Si si 14 pentru Ge). Integrand cu conditiile U(0)=0 si , obtinem:

(2.74)

Pentru x=d, U(x)=U_i+U₀~U_i, unde U₀ reprezinta saltul de potential intern (0,7V pentru Si si 0,3V pentru Ge), iar U_i este tensiunea inversa de polarizare aplicata diodei si este de ordinul sutelor de volti.

Folosind relatia (2.74) obtinem:

Tot din (2.74) putem scoate valoarea maxima a campului electric

De asemenea grosimea d in microni (μ) pentru detectorii pe baza de Si se poate calcula orientativ cu formula:

(

Din (2.77) rezulta ca pentru a mari stratul sensibil (liber de purtatori) putem mari tensiunea inversa. Aceasta duce insa si la marirea curentului de injectie specific contactelor si de fuga care depind de caracteristicile suprafetelor laterale ale cristalului, de felul in care s-a facut prelucrarea si montarea detectorului. De aceea este preferabil sa se reduca numarul de atomi ai impuritatilor N_a. Acest lucru se va vedea la detectorii Ge-Li (metoda compensatiei cu litiu).

Fig. 2.36 Folosirea inelului de garda

Pentru micsorarea curentilor de fuga se folosesc inelele de garda ca in fig. 2.36. In mod obisnuit cu aceste detectoare se pot realiza grosimi ale stratului sensibil de pana la 600μ cu o tensiune aplicata de 500V. Fereastra subtire (<0,2μ) si rezolutia energetica buna la temperatura camerei le fac utile pentru detectarea fragmentelor de fisiune, particulelor α (pana la 40MeV cu rezolutie de 15keV pentru suprafata utila de ordinul 1 cm²), particulelor β (rezolutie de 8keV) si ionilor grei. Prin racirea detectorului rezolutia se imbunatateste. In fig. 2.37 se da un exemplu de utilizare a unui astfel de detector pentru ridicarea spectrului dat de ¹⁰⁹Cd. Se observa picurile de 22keV (raze X), 62,5 si 84,5 keV (electroni de conversie interna) (Fig. 2.37).

Fig. 2.34 Spectrul razelor X si al electronilor de conversie ai

Cd ridicat cu un detector cu jonctiune difuzata pe siliciu