Особенности радиационного повреждения кремниевых детекторов высокоэнергетическими электронами

Damaging processes of silicon and silicon detectors, radiation damaging peculiarity of silicon and silicon detectors by conditions of electromagnetic showers development are considered in the work. Experimental results of silicon radiation damaging efficiency by electromagnetic showers, which ar...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2002
Автори:	Маслов, Н.И., Неклюдов, И.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2002
Назва видання:	Вопросы атомной науки и техники
Теми:	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/79870
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Особенности радиационного повреждения кремниевых детекторов высокоэнергетическими электронами / Н.И. Маслов, И.М. Неклюдов // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 6. — С. 53-59. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-79870
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-798702015-04-06T03:02:02Z Особенности радиационного повреждения кремниевых детекторов высокоэнергетическими электронами Маслов, Н.И. Неклюдов, И.М. Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Damaging processes of silicon and silicon detectors, radiation damaging peculiarity of silicon and silicon detectors by conditions of electromagnetic showers development are considered in the work. Experimental results of silicon radiation damaging efficiency by electromagnetic showers, which are developed from initial electrons with energy 220, 500 and 1000 MeV are presented. Peculiarity of damages creation in detector was studied. It was shown, that radiation damaging efficiency in the bulk detector material may be different then radiation damaging efficiency in initial silicon with identical characteristics. В роботі розглянуті процеси пошкодження кремнію та кремнійових детекторів, особливості радіаційних пошкоджень кремнію та кремнійових детекторів в умовах розвитку електронно-фотонної зливи. Отримані експериментальні результати по ефективності радіаційного пошкодження кремнію електронно-фотонною зливою від первинних електронів з енергією 220, 500 та 1000 МеВ. Досліджені особливості дефектотворення у детекторі. Розглянут ефект радиаційного пошкодження, включаючий змінення (зменшення) ефективної концентрації легируючої домішки та взміненні типу проводимості матеріалу детектора в разі опромінення. Показано, що ефективність утворення дефектів у детекторі може відрізнятись від утворення дефектів у кремнію з ідентичними параметрами. В работе рассмотрены процессы повреждения кремния и кремниевых детекторов, особенности радиационных повреждений кремния и кремниевых детекторов в условиях развития электронно-фотонного ливня. Получены экспериментальные результаты по эффективности радиационного повреждения кремния электронно-фотонным ливнем от первичных электронов с энергией 220, 500 и 1000 МэВ. Исследованы особенности дефектообразования в детекторе. Рассмотрен эффект радиационного повреждения кремниевых детекторов, заключающийся в изменении (уменьшении) эффективной концентрации легирующей примеси и в изменении типа проводимости материала детектора в результате облучения. Показано, что эффективность образования дефектов решётки в объеме материала детектора может отличаться от образования дефектов решётки в кремнии с идентичными параметрами. 2002 Article Особенности радиационного повреждения кремниевых детекторов высокоэнергетическими электронами / Н.И. Маслов, И.М. Неклюдов // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 6. — С. 53-59. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/79870 621.039.564 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
spellingShingle	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Маслов, Н.И. Неклюдов, И.М. Особенности радиационного повреждения кремниевых детекторов высокоэнергетическими электронами Вопросы атомной науки и техники
description	Damaging processes of silicon and silicon detectors, radiation damaging peculiarity of silicon and silicon detectors by conditions of electromagnetic showers development are considered in the work. Experimental results of silicon radiation damaging efficiency by electromagnetic showers, which are developed from initial electrons with energy 220, 500 and 1000 MeV are presented. Peculiarity of damages creation in detector was studied. It was shown, that radiation damaging efficiency in the bulk detector material may be different then radiation damaging efficiency in initial silicon with identical characteristics.
format	Article
author	Маслов, Н.И. Неклюдов, И.М.
author_facet	Маслов, Н.И. Неклюдов, И.М.
author_sort	Маслов, Н.И.
title	Особенности радиационного повреждения кремниевых детекторов высокоэнергетическими электронами
title_short	Особенности радиационного повреждения кремниевых детекторов высокоэнергетическими электронами
title_full	Особенности радиационного повреждения кремниевых детекторов высокоэнергетическими электронами
title_fullStr	Особенности радиационного повреждения кремниевых детекторов высокоэнергетическими электронами
title_full_unstemmed	Особенности радиационного повреждения кремниевых детекторов высокоэнергетическими электронами
title_sort	особенности радиационного повреждения кремниевых детекторов высокоэнергетическими электронами
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2002
topic_facet	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/79870
citation_txt	Особенности радиационного повреждения кремниевых детекторов высокоэнергетическими электронами / Н.И. Маслов, И.М. Неклюдов // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 6. — С. 53-59. — Бібліогр.: 17 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT maslovni osobennostiradiacionnogopovreždeniâkremnievyhdetektorovvysokoénergetičeskimiélektronami AT neklûdovim osobennostiradiacionnogopovreždeniâkremnievyhdetektorovvysokoénergetičeskimiélektronami
first_indexed	2025-07-06T03:49:29Z
last_indexed	2025-07-06T03:49:29Z
_version_	1836867932681928704
fulltext	УДК 621.039.564 ОСОБЕННОСТИ РАДИАЦИОННОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ДЕТЕКТОРОВ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ЭЛЕКТРОНАМИ Н.И.Маслов, И.М.Неклюдов ННЦ ХФТИ, г. Харьков, Украина, <nikolai.maslov@kipt.kharkov.ua> В роботі розглянуті процеси пошкодження кремнію та кремнійових детекторів, особливості радіаційних пошко- джень кремнію та кремнійових детекторів в умовах розвитку електронно-фотонної зливи. Отримані експериментальні результати по ефективності радіаційного пошкодження кремнію електронно-фотонною зливою від первинних елек- тронів з енергією 220, 500 та 1000 МеВ. Досліджені особливості дефектотворення у детекторі. Розглянут ефект радиаційного пошкодження, включаючий змінення (зменшення) ефективної концентрації легируючої домішки та взміненні типу проводимості матеріалу детектора в разі опромінення. Показано, що ефективність утворення дефектів у детекторі може відрізнятись від утворення дефектів у кремнію з ідентичними параметрами. В работе рассмотрены процессы повреждения кремния и кремниевых детекторов, особенности радиационных повре- ждений кремния и кремниевых детекторов в условиях развития электронно-фотонного ливня. Получены эксперимен- тальные результаты по эффективности радиационного повреждения кремния электронно-фотонным ливнем от первич- ных электронов с энергией 220, 500 и 1000 МэВ. Исследованы особенности дефектообразования в детекторе. Рассмот- рен эффект радиационного повреждения кремниевых детекторов, заключающийся в изменении (уменьшении) эффектив- ной концентрации легирующей примеси и в изменении типа проводимости материала детектора в результате облучения. Показано, что эффективность образования дефектов решётки в объеме материала детектора может отличаться от образо- вания дефектов решётки в кремнии с идентичными параметрами. Damaging processes of silicon and silicon detectors, radiation damaging peculiarity of silicon and silicon detectors by con- ditions of electromagnetic showers development are considered in the work. Experimental results of silicon radiation damaging efficiency by electromagnetic showers, which are developed from initial electrons with energy 220, 500 and 1000 MeV are pre- sented. Peculiarity of damages creation in detector was studied. It was shown, that radiation damaging efficiency in the bulk de- tector material may be different then radiation damaging efficiency in initial silicon with identical characteristics. 1. ВВЕДЕНИЕ При прохождении высокоэнергетических элек- тронов или γ–квантов через вещество сцинтиллято- ра, в результате последовательного излучения γ– квантов и конверсии их в электрон–позитронные пары развивается электронно-фотонный ливень. Ра- диационное воздействие электронно-фотонного лив- ня на детекторы реализуется, например, при реги- страции высокоэнергетических частиц детектирую- щими системами типа сцинтиллятор – фотодиод либо вольфрам-кремниевыми калори-метрами [1]. Ливневый процесс приводит к изменению числа, спектра и состава частиц первичного излучения [2,3], что должно приводить к изменению эффектив- ности радиационного повреж-дения вещества сцин- тиллятора и кремниевого детектора по сравнению с эффективностью радиационного повреждения пер- вичными электро-нами. В настоящей работе рассматриваются особенности повреждения крем- ния n-типа электронно-фотонным ливнем и особен- ности повреждения кремниевых детекторов по срав- нению с повреждением полупроводникового мате- риала детектора. 2. РАДИАЦИОННЫЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ КРЕМНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ФОТОННЫМ ЛИВНЕМ Основным процессом дефектообразования у по- лупроводников с узкой энергетической запрещен- ной зоной и сравнительно большой пороговой энер- гией дефектообразования (кремний, германий) яв- ляется объёмный механизм повреждения кристалли- ческой структуры кремния в результате смещения атомов. Подпороговые механизмы образования де- фектов, связанные с возбуждением электронной подсистемы, незначительны. При энергии воздей- ствующих частиц, приближающейся к порогу де- фектообразования, сечение последнего за счет воз- буждения электронной подсистемы на два порядка меньше, чем сечение за счет упругого смещения атомов [4]. Образования дефектов в кремнии сопровождает- ся образованием дополнительных энергетических уровней в энергетической запрещенной зоне полу- проводника. Глубокие уровни вблизи центра энерге- тической запрещенной зоны (генерационно-реком- бинационные уровни) обладают большим сечением захвата неравновесных носителей заряда. Так сече- ние прямой рекомбинации (зона проводимости – ва- лентная зона) на два порядка меньше, чем сечение рекомбинации через глубокий уровень. Поэтому, время жизни неравновесных носителей заряда у по- лупроводников является наиболее чувствительным электрофизическим параметром к облучению. В тоже время, время жизни неравновесных носителей заряда (τннз) является наиболее важным электрофи- зическим параметром, характеризующим как каче- ство и состояние полупроводников, так и качество и ______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2002. №6. 53 Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (82), с.53-58. состояние полупроводниковых приборов. В связи с этим, исследованию τннз и исследованию константы радиационного повреждения кремния по времени жизни неравновесных носителей заряда (Кτ) уделя- лось и уделяется огромное внимание. Накоплено большое количество данных исследований τннз и Кτ , которое может быть использовано не только в физи- ке радиационных повреждений полупроводников, но и для прогнозирования качества и радиационной стойкости полупроводниковых детекторов. 2.1. ОСОБЕННОСТИ РАДИАЦИОННЫХ ПО- ВРЕЖДЕНИЙ КРЕМНИЯ ЭЛЕКТРОННО- ФОТОННЫМ ЛИВНЕМ, РАЗВИВАЮЩИМСЯ В КОНВЕРТОРЕ С НЕОГРАНИЧЕННЫМИ ПО- ПЕРЕЧНЫМИ РАЗМЕРАМИ Кремниевые детекторы [1] используются, в основном, при комнатных температурах. Поэтому большое количество данных по радиационному по- вреждению кремния, полученных также при комнат- ных температурах, могут быть использованы для прогнозирования повреждения детекторов в анало- гичных условиях. Радиационное повреждение крем- ния электронно-фотонным ливнем в данной работе исследовалось на различных глубинах проникнове- ния в вещество конвертора электронов с начальной энергией 220, 500 и 1000 МэВ. При исследованиях радиационных повреждений измерялись поглощен- ная доза излучения и изменение концентрации гене- рационно-рекомби-национных центров в кремнии в результате воздействия электронно-фотонного лив- ня. Схема облучения показана на рис.1. Рис.1. Схема облучения образцов кремния (1) и дози- метрических пленок (2), расположенных до и после конверторов (3) Образцы кремния располагались до и за конвер- торами, изготовленными из сцинтилляторов с ма- лым и большим удельным сопротивлением. Погло- щенная доза (D) в образце кремния, расположенном до конвертора, определялась с использованием из- вестных ионизационных потерь энергии и измерен- ных интегральных плотностей потоков электронов. Распределение поглощенной дозы в радиальном направлении и по глубине развития электронно- фотонного ливня определялись с помощью цветных дозиметрических пленок. Изменение концентрации генерационно-рекомбинационных центров в крем- нии в результате воздействия электронно-фотонного ливня определялось методом измерения константы радиационного повреждения кремния Кτ по времени жизни неравновесных носителей заряда [5,6]. На рис. 2 и 3 представлены результаты измере- ний эффективности радиационного повреждения электронами с энергией 500 и 1000 МэВ кремния, расположенного за лёгкими и тяжелыми конверто- рами. Рис.2. Радиационное воздействие на кремний элек- тронно-фотонного ливня, развивающегося в тяже- лом конверторе (ρ =11,34 г/см3 , рад. длина =1,77 см). Кривые 1 и 1″ - поглощенная доза излучения D, кривые 2 и 2″ - константа радиационного повре- ждения кремния Кτ, относительные единицы. Энер- гия первичных электронов 1000 МэВ (кривые 1 и 2) и 500 МэВ (кривые 1″ и 2″) Видно, что развитие электронно-фотонного лив- ня приводит к значительному изменению эффектив- ности радиационного повреждения и изменению поглощенной дозы в кремнии. Увеличение эффек- тивности радиационного повреждения кремния и поглощенной дозы излучения в нем при увеличении толщины конвертора с неограниченными попереч- ными размерами зависит от материала конвертора и энергии первичных электронов. Например, при энергии электронов 1000 МэВ в максимуме разви- тия ливня в тяжелом конверторе поглощенная доза увеличивается в десять раз, а Кτ увеличивается в шесть раз. Максимальное увеличение Кτ происходит при меньших толщинах конвертора, чем максималь- ное увеличение D. Это можно объяснить тем, что в радиационное повреждение кремния Кτ основной вклад вносят более высокоэнергетические частицы. 54 Рис.3. Радиационное воздействие на кремний элек- тронно-фотонного ливня, развивающегося в легком конверторе (ρ =2,69 г/см3 , рад. длина =1,77см). Кривые 1 и 1″ – поглощенная доза излучения, кривые 2 и 2″ – константа радиационного повреждения кремния Кτ, относительные единицы. Энергия пер- вичных электронов 1000 МэВ (кривые 1 и 2) и 500 МэВ (кривые 1″ и 2″) 2.2. ОСОБЕННОСТИ РАДИАЦИОННЫХ ПО- ВРЕЖДЕНИЙ КРЕМНИЯ ЭЛЕКТРОННО- ФОТОННЫМ ЛИВНЕМ, РАЗВИВАЮЩИМСЯ В КОНВЕРТОРЕ С ОГРАНИЧЕННЫМИ ПО- ПЕРЕЧНЫМИ РАЗМЕРАМИ При энергии электронов 220 МэВ исследовалось развитие электронно-фотонного ливня в узком кон- верторе и в конверторе с неограниченными попереч- ными размерами. На рис.4 показана схема экспери- мента. Узкая сборка образцов (1) с поперечными разме- рами (С) облучается пучком электронов (2) с по- перечным размером (f), превышающим поперечные размеры образца. На нижней части рисунка показа- на та же сборка образцов с дополнительными бо- ковыми конверторами-рассеивателями (см.рис.4, се- чение 3). Рис.4. Схема эксперимента. Верхний рисунок- сбор- ка образцов (1) с поперечными размерами (с) мень- шими, чем поперечные размеры пучка электронов (f). Нижний рисунок – сборка образцов, включаю- щая боковые конверторы-рассеиватели (3) На рис.5 показано изменение поглощенной дозы по глубине узкой сборки образцов (D0, зависимость 2) и изменение поглощенной дозы по глубине сбор- ки образцов с дополнительными боковыми конвер- торами-рассеивателями (DK, зависимость 1). Рис.5. Изменение поглощенной дозы в конверторе из железа (ρ =7,87 г/см3 , рад. длина =1,77 см) с не- ограниченными (1) и ограниченными (2) поперечны- ми размерами Из рис.5 видно, что поглощенная доза для неогра- ниченного по поперечным размерам конвертора (с дополнительными боковыми конверторами-рассеи- вателями) больше во всем диапазоне толщин кон- вертора. Это объясняется тем, что в случае ограни- ченного по поперечным размерам конвертора, часть частиц выходит за его пределы и не участвует в про- цессе формирования электронно-фотонного ливня. На рис.6 показано изменение отношения погло- щенных доз DK/D0 по длине сборок. Видно, что с увеличением глубины проникновения ливня отно- шение поглощенных доз DK/D0 увеличивается. Рис.6. Отношения поглощенных доз DK/D0 по длине сборок На рис.7 и 8 представлены результаты измерения однородности поглощенной дозы по сечению узкой сборки и сборки с дополнительными боковыми кон- верторами-рассеивателями. Видно, что в случае применения боковых конвер- торов-рассеивателей однородность облучения повы- шается. 55 Рис.7. Изменение поглощенных доз в поперечном направлении для узкой сборки (а) и для сборки с до- полнительными боковыми конвертерами-рассеива- телями (б). Пунктирными линиями обозначены по- перечные размеры сборки Рис.8. Неоднородность поглощенной дозы в по- перечном направлении в узкой сборке (1) и в сборке с дополнительными боковыми конвертерами-рассеи- вателями (2) на различных расстояниях от начала сборки Однородность облучения узкой сборки с при- менением боковых конверторов-рассеивателей по- вышается как по сечению, так и вдоль сборки. 3. РАДИАЦИОННЫЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ ДЕТЕКТОРОВ При регистрации частиц, в результате воздей- ствия их на объём материала и поверхность детекто- ра, характеристики детектора изменяются. Основ- ным механизмом повреждения ППД является объёмный механизм повреждения кристаллической структуры. В результате образования дефектов решётки возникают генерационно-рекомбинацион- ные центры, ускоряю-щие рекомбинацию носителей заряда и уменьшающие время жизни неравновесных носителей заряда (ННЗ), которое определяет наибо- лее важный параметр ППД – ток утечки. Нормированное изменение тока утечки при облу- чении детекторов [6,7]: ∆j= 0.5qnjWA·∆τ-1/D, (1) где: q– заряд электрона; ni– собственная концентра- ция носителей заряда в полупроводнике; A и W – ак- тивная площадь и глубина обеднения полу-провод- никового детектора; ∆τ-1 – изменение времени жиз- ни ННЗ после облучения дозой D аналогично радиа- ционной константе полупроводникового материала Кτ [5, 6] Kτ=∆τ-1/D. (2) В работе [8] рассмотрены эффективности воздей- ствия излучений на токи утечки КД, полученные из измерений константы повреждения детекторного кремния по времени жизни неравновесных носи- телей заряда. В настоящей работе рассматриваются особенности повреждения кремниевых детекторов по сравнению с повреждением образца кремния с характеристиками, идентичными характеристикам детекторного кремния. 3.1. ИЗМЕНЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В МАТЕРИАЛЕ ДЕТЕКТОРА В результате образования дефектов решётки в объеме материала детектора возникают рекомбина- ционные центры, ускоряющие рекомбинацию носи- телей заряда и уменьшающие время жизни неравно- весных носителей заряда (ННЗ). Одновременное ис- следование радиационного повреждения кремние- вых детекторов и кремния показывает, что эффек- тивность образования дефектов решётки в объеме материала детектора может отличаться от образова- ния дефектов решётки в кремнии с аналогичными параметрами. Это надо учитывать при прогнозиро- вании радиационной стойкости детекторов. На рис.9 показаны результаты одновременного ис- следования радиационного повреждения кремниево- го детектора и кремния с идентичными параметра- ми. Линиями 2 и 3 показаны изменения времени жизни неосновных носителей заряда в кремниевом детекторе и кремнии. Рис.9. Ток утечки (1), обратное время жизни (2) в кремниевом детекторе и обратное время жизни (3) в образце кремния в зависимости от дозы. Облуче- ние электронами с энергией 20 Мэв Видно, что время жизни неосновных носителей заряда в кремниевом детекторе изменяется медлен- нее, чем в кремнии с идентичными параметрами. Вероятно, уменьшение эффективности радиаци- онного повреждения кремниевого детектора по 56 сравнению с кремнием можно объяснить гетерирую- щими свойствами имплантированных слоев на по- верхности кремниевого детектора. Дополнительны- ми стоками радиационных дефектов могут быть де- фекты, образующиеся в объеме кремния при терми- ческих обработках в процессе производства детекто- ра. 3.2. ИНВЕРСИЯ N-ТИПА КРЕМНИЯ ПРИ ОБ- ЛУЧЕНИИ ДЕТЕКТОРОВ Образование генерационно-рекомбинационных центров и увеличение вследствие этого токов утечки (соотношение 1) является основным эффектом ра- диационного повреждения кремниевых детекторов. Еще один эффект радиационного повреждения Si- детекторов обнаружен около десяти лет назад и ин- тенсивно исследуется в последние годы [9,10]. При облучении детекторов наряду с образованием гене- рационно-рекомбинационных уровней в запрещен- ной зоне кремния образуются также мелкие уровни -доноры и акцепторы (рис.10) и, поскольку концен- трация акцепторо-подобных состояний преобладает, n-тип кремния инвертируется в p-тип. Эффект радиационного повреждения заключается в изменении (уменьшении) эффективной концент- рации легирующей примеси и в изменении типа проводимости материала детектора при определен- ной дозе облучения. В этом случае работоспособ- ность детектора теряется, если конструкция детекто- ра не предусматривает инверсию типа проводимо- сти, и в любом случае, напряжение полного обедне- ния значительно увеличивается после инверсии типа проводимости. Изменение (уменьшение) концентрации основных носителей заряда исследуется много лет наряду с Кτ при исследованиях радиационной эффективности различных видов излучений [11] (рис.10). Рис.10. Изменение Кτ (а), проводимости и концен- трации основных носителей заряда в кремнии n- типа при облучении ускоренными электронами Зависимость концентрации основных носителей заряда в полупроводнике от флюенса частиц на на- чальном участке облучения аппроксимируют линей- ной функцией η(D) = η0 – КηD, (3) где η0 - концентрация основных носителей заряда в полупроводнике до облучения, η(D) - концентрация основных носителей заряда в полупроводнике после облучения, D – доза или флюенс частиц. Коэффици- ент Кη из выражения 3 называют скоростью удале- ния основных носителей заряда. Изменение концен- трации основных носителей заряда в полупроводни- ке при облучении наблюдается в широком интерва- ле начальных концентраций основных носителей за- ряда [11] (рис.11). Рис.11. Зависимость изменение удельного сопро- тивления и концентрации основных носителей заря- да в кремнии n-типа при облучении от начальных параметров кремния Однако эффект радиационного повреждения кремниевых детекторов, связанный с уменьшением эффективной концентрации легирующей примеси и с изменением типа проводимости полупроводнико- вого материала детектора, приобрел актуальность в последнее десятилетие, когда начали широко приме- няться детекторы на основе высокоомного кремния. Изменение величины и типа проводимости материа- ла детектора исследуется, как правило, с помощью емкостных (C-V) измерений [7,9]. На рис.12 показа- ны результаты измерений емкости детектора в зави- симости от напряжения обеднения. Рис.12. Объемная емкость в зависимости от напря- жения обеднения V для различных доз облучения Напряжение полного обеднения детектора опре- деляется по точке пересечения прямых сильной и слабой зависимостей емкости в логарифмической 57 системе координат (рис.12). На рис.13 показано из- менение напряжения полного обеднения детектора при его облучении. Доза облучения, при которой происходит инверсия типа проводимости материала детектора, зависит от величины удельного сопро- тивления кремния, от типа и энергии воздействую- щих частиц. Рис.13. Напряжение полного обеднения для раз- личных доз облучения. O, ð , ∆, +– данные для 4 раз- личных детекторов. Облучение 20 МэВ электрона- ми В результате инверсии типа проводимости крем- ния диодная и омическая стороны детектора меня- ются местами. Это, как правило, приводит к потере работоспособности детектора односторонней конструкции. Если детектор выполнен по двухсто- ронней конструкции, на омической (до инверсии типа проводимости) стороне имеет специальную си- стему защитных колец, то после инверсии типа про- водимости он сохраняет работоспособность до тех пор, пока увеличение шумов не превысит величину заряда от регистрируемой частицы. ВЫВОДЫ Исследовано радиационное воздействие на крем- ний и кремниевые детекторы электронно-фотонных ливней, образующихся от электронов с начальной энергией 220, 500 и 1000 МэВ. Показано, что развитие электронно–фотонного ливня приводит к значительному изменению погло- щенной дозы и эффективности радиационного по- вреждения кремния. Показано, что изменение эффективности радиа- ционного повреждения кремния и поглощенной дозы излучения в нем при увеличении толщины конвертора с неограниченными поперечными разме- рами зависят от материала, размеров конвертора и энергии первичных электронов. Одновременное ис- следование радиационного повреждения кремние- вых детекторов и кремния показывает, что эффек- тивность образования дефектов решётки в объеме материала детектора отличается от образования де- фектов решётки в кремнии с идентичными парамет- рами. Это надо учитывать при прогнозировании ра- диационной стойкости детекторов. Рассмотрен эффект радиационного повреждения кремниевых детекторов, заключающийся в измене- нии (уменьшении) эффективной концентрации леги- рующей примеси и в изменении типа проводимости материала детектора в результате облучения. ЛИТЕРАТУРА 1. R. Barate et al. // Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. 1985. A (235), p.235. 2. Д.Ритсон. Экспериментальные методы в физике высоких энергий. М.: «Наука», 1964, с.588. 3. Hans–Hellmut Nagel. Electron–Proton–Kaskaden in Blei //Zeitschrift fur Physic. 1965, N186, p.319–346. 4. В.Л.Винецкий, Г.А.Холодарь. Радиационная физи- ка полупроводников. Киев, “Наукова думка”, 1979, 332 с. 5. N.I.Maslov, G.D.Pugachev, M.I.Heifets. Radiation damaging efficiency of silicon by 3-1000 MeV elec- trons //Physics and Technics of Semiconductors. 1982, v.16, N3, p.513−515. 6. A.S.Grove. Physics and Technics of Semiconductor Devices. New York, Wiley, 1967, Ch. 6, p.176. 7. N.Maslov, V.Kulibaba, S.Potin, A.Starodubtsev, P.Kuijer, A.P.de Haas, V.Perevertailo. Radiation tole- rance of single-sided microstrip detector with Si3N4 insulator // Nuclear Physics B (Proc. Suppl.). 1999, v.78, p.689−694. 8. N.I.Maslov. Radiation damaging efficiency of sili-con detectors by electrons, neutrons and brems-strahlung. VANT, ser. //Radisation damaging physics and radia- tion materials. 1998, v.1(67)−2(68), p.46−48. 9. D.Pitzl, N.Cartiglia, B.Hubbard et al. Type inversion in silicon detectors //Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. 1992, A(311), p.98−104. 10. E.Fretwurst, N.Claussen, N.Croitoru et al. Radiation hardness of silicon detectors for future colliders // Nucl. Instrum. Meth. in Phys. Res. 1994, A (339), p.357-364. 11. Н.В.Кузнецов, Г.Г.Соловьев. Радиационная стой- кость кремния. М.:«Энергоатомиздат», 1989, 95 с. 12. H.Flicker, J.J.Loferski, J.Scot-Monsk. Radiation De- fect Introduction Rates in n-and p-Type Si in Vicinity of the Radiation Damage Threshold //Rhys, Rev. 1962, v.128, N 6. p.2557−2563. 13. Г.М.Иванов. Об энергетической зависимости по- врежденных монокристаллов кремния при бомбар- дировке протонами и электронами //Второй Все- союзный симпозиум по взаимодействию атомных частиц с твердым телом. М.: Изд-во МГУ, 1972, с.308−311. 14. П.Ф.Лугаков, С.В.Мишук, В.В.Ноздрина, В.Д.Тка- чев. Рекомбинация носителей тока в n-крем-нии, облученном быстрыми электронами //Радиацион- ные дефекты в полупроводниках. Минск: Изд-во БГУ, 1972, с.85−86. 15. Н.И.Маслов, Г.Д.Пугачев, М.И.Хейфец. Эффек- тивность радиационного воздействия электронов с энергией 3…1000 МэВ на кремний // Физика и техника полупроводников. 1982, т.16. вып.3. с.513− 516. 16. I.V.Haddad, P.C.Bundury Energy Dependence of Anisotropy of Defect Production in Electron Irradiated Diamond-Type Crystals. I. Experimental Measure- ments on n-and p-Type Silicon //Phyl. Mag. 1966, v.14, N130, p.829−840. 58 17. И.Д.Козлов, Т.А.Логвиненко, П.Ф.Лугаков, В.Д.Т- качев. Изменение концентрации носителей тока в кремнии при облучении быстрыми электронами //Физика и техника полупроводников. 1974, т.8, вып.8, с.1431−143. 59 Н.И.Маслов, И.М.Неклюдов 1. ВВЕДЕНИЕ ВЫВОДЫ Исследовано радиационное воздействие на кремний и кремниевые детекторы электронно-фотонных ливней, образующихся от электронов с начальной энергией 220, 500 и 1000 МэВ. Показано, что развитие электронно–фотонного ливня приводит к значительному изменению поглощенной дозы и эффективности радиационного повреждения кремния. Показано, что изменение эффективности радиационного повреждения кремния и поглощенной дозы излучения в нем при увеличении толщины конвертора с неограниченными поперечными размерами зависят от материала, размеров конвертора и энергии первичных электронов. Одновременное исследование радиационного повреждения кремниевых детекторов и кремния показывает, что эффективность образования дефектов решётки в объеме материала детектора отличается от образования дефектов решётки в кремнии с идентичными параметрами. Это надо учитывать при прогнозировании радиационной стойкости детекторов. ЛИТЕРАТУРА

Особенности радиационного повреждения кремниевых детекторов высокоэнергетическими электронами

Репозитарії

Схожі ресурси