Detectori cu semiconductori de tip n-i-p (NIP)

Detectori cu semiconductori de tip n-i-p (NIP)

Determinarea energiei radiatiilor penetrante (X sau γ) necesita detectori cu volum sensibil mare, deci cu grosimi mari pentru stratul saracit de purtatori liberi. Cresterea grosimii acestuia pe baza cresterii tensiunii de polarizare inversa este limitata asa cum s-a aratat anterior.

O metoda de obtinere a unor regiuni sensibile groase usor realizabila deoarece nu necesita material de baza de mare rezistivitate consta in compensarea acceptorilor in exces dintr-o regiune a materialului de tip p (ρ ≈ 10-100 Ω.cm) cu ajutorul unor impuritati interstitiale de litiu. Acest element este un donor cu o slaba energie de ionizare: 0,03eV in siliciu si 0,0096eV in germaniu. Folosind aceasta metoda de compensare cu litiu, propusa initial de Pell (1960), rezistivitatea regiunii compensate poate creste 10⁵Ω.cm, iar grosimea peste 10mm.

Denumirea de NIP provine de la existenta a doua jonctiuni in dispozitiv: la suprafata frontala o jonctiune n⁺-i, iar catre contactul ohmic o jonctiune i-p (fig.2.39). In aceasta notare 'i' are semnificatia de 'intrinsec' dat fiind faptul ca rezistivitatea materialului compensat se apropie de valoarea intrinseca.

Fig. 2.36 a) Detector plan Si(Li) si b) Detector Ge(Li) coaxial

Compensatia este posibila datorita marii mobilitati a litiului in retelele siliciului si germaniului. Constanta de difuzie a litiului interstitial este de 10⁷ ori mai mare decat a impuritatilor substitutionale (de exemplu B sau P). Ea se face in felul urmator: litiul este depus prin evaporare (la temperaturi de 350-400^oC) pe un cristal de tip p si prin incalzire difuzeaza in volum formand dupa un timp t₀ o jonctiune n⁺p, gradata liniar, planul jonctiunii stoechiometrice fiind situat la distanta c de suprafata (Fig. 2.40).

Daca jonctiunii astfel formate i se aplica (intr-o a doua etapa) o tensiune inversa suficient de mare (sute de volti) pentru ca viteza de drift pe care o imprima ionilor Li⁺ sa fie mai mare decat cea de difuzie, acestia se vor deplasa din regiunea bogata in Li⁺ spre regiunea de tip p cu deficit de Li⁺, compensand impuritatile acceptoare. Ca urmare a deplasarii ionilor, in jurul planului x = c se produce uniformizarea concentratiei acestora la nivelul N_D = N_A. Se tinde spre o stare de echilibru in care campul electric are configuratia din figura 2.40c. In jurul planului x = c se formeaza (intre x = a si x = b) o regiune intrinseca (Fig. 2.40b) a carei grosime d creste cu durata difuziei (driftului). S-a demonstrat ca:

  (2.78)

unde μ_Li este mobilitatea ionilor de Li⁺, U_i-tensiunea inversa aplicata, iar t_drift este timpul cat ionii de litiu se deplaseaza in camp. De exemplu pentru a obtine d=2mm in Si este necesar un timp de driftare de 2 zile la U_i=100V si o temperatura T=150^oC.

Fig. 2.40 Variatia concentratiei impuritatilor de la suprafata jonctiunii:

a) dupa prima difuzie a Li; b) dupa aplicarea tensiunii inverse (driftul ionilor Li⁺);

c) variatiile sarcinii, campului, potentialului

Experienta arata ca o crestere ulterioara a tensiunii de polarizare nu mai produce o crestere a grosimii d a stratului saracit ci doar o intensificare a campului electric care are ca efect o colectare mai rapida si mai eficienta a sarcinilor libere generate de radiatia incidenta in volumul sensibil de grosime d.

Detectorii de tip NIP nu sunt stabili in timp. Datorita mobilitatii mari a ionilor Li⁺ acestia pot migra chiar si la temperatura camerei daca detectorul este pastrat mult timp fara tensiune de polarizare (U_i). Se recomanda deci pastrarea acestor detectori cu tensiunea inversa aplicata. In cazul detectorilor NIP construiti pe baza de siliciu p se poate obtine o stabilitate buna in timp chiar si la temperatura camerei daca doparea se face cu Ga si nu cu B. La detectorii NIP cu Si se pot obtine usor grosimi ale zonei sensibile de 2-6mm sau chiar 10mm, putand fi astfel utilizati pentru detectia particulelor incarcate slab ionizate ca: protoni cu energii peste 10MeV, particule α peste 40MeV, electroni cu energii peste 1MeV. Rezolutia energetica a acestor detectori este mult imbunatatita daca sunt raciti la temperatura azotului lichid. In acest scop s-au construit vase Dewar speciale care contin azotul lichid, iar cristalul detector este in contact termic cu azotul prin intermediul unui conductor termic (o tija de Cu). Acesti detectori Si(Li) sunt foarte des utilizati si pentru detectia radiatiilor X de energii cuprinse intre 1 - 60keV.

Procesul de compensare descris mai sus poate fi numit 'extern' in sensul ca litiul a fost difuzat din exterior. In cazul Si exista si metode de compensare din 'interior', producand fosfor in cristalul de Si prin transmutatie provocata la iradierea cristalului cu neutroni lenti, conform procesului:

Sectiunea reactiei este de 0,11±0,01 barn si continutul izotopic al ³⁰Si in elementul natural este de 3,05%.

Metoda nu poate fi aplicata in cazul Ge deoarece se obtine atat acceptor (⁷¹Ge) cat si donor (⁷⁵As) care se compenseaza reciproc:

Odata cu cresterea energiei radiatiei ce urmeaza a fi detectata, utilizarea unui detector de tip n-i-p cu cristal de Ge pare mai logica datorita faptului ca puterea de stopare a Ge este de aproape doua ori mai mare decat a Si. Asa cum s-a vazut mai sus in cazul Ge procesul de compensare se poate face numai prin difuzarea ionilor de litiu din exterior. Dezavantajul acestor detectori consta in faptul ca E_g pentru Ge este mica, si ca atare curentul generat termic la temperatura camerei este mare. In plus, ionii de litiu au o mobilitate mai mare in Ge decat in Si, astfel ca detectorii de tip n-i-p cu germaniu sunt functionali numai raciti la temperatura azotului lichid (77K) cu un vas Dewar (fig. 2.41). Datorita acestui inconvenient detectorii Ge(Li) nu sunt utilizati in spectrometria particulelor incarcate de mare energie, fiind insa utilizati cu mult succes pentru detectarea radiatiilor γ, practic in exclusivitate in spectrometria γ de inalta rezolutie.

Mentionam faptul ca in spectrometria γ este strict necesar obtinerea unui raport fotopic/nivel Compton cat mai mare. Deoarece raportul dintre sectiunea fotoefectului si efectul Compton este proportional cu Z⁴ rezulta ca acest raport este de (32/14)⁴~27 ori mai mare pentru Ge(Li) decat pentru un detector Si(Li). In realitate, datorita proceselor de imprastiere multipla Compton acest raport este chiar mai mare decat 27 ceea ce indica o superioritate neta a detectorilor Ge(Li) fata de Si(Li) in spectrometria γ de inalta rezolutie. In plus posibilitatea obtinerii unor cristale de Ge(Li) cu volume sensibile >100cm³ face ca acesti detectori sa aiba o eficacitate rezonabila si o rezolutie energetica competitiva cu a spectrometrelor magnetice. Un astfel de detector se incapsuleaza in aluminiu pentru a-l feri de influenta luminii care prin generare de perechi electron-gol ar duce la cresterea zgomotului detectorului. O sectiune printr-un cristal Ge(Li) de forma coaxiala este prezenta in fig. 2.39b. Rezolutia energetica obtinuta cu un detector Ge(Li) pentru picul γ de 1333keV al ⁶⁰Co este de 0,45% fata de numai 5,9% obtinuta cu NaI(Tl).