Полупроводниковые дозиметрические детекторы

Полупроводник в качестве счётчика падающих частиц выступает как аналог импульсной ионизационной камеры (ионизация атомов твёрдого вещества). Результатом ионизации в полупроводнике является появление свободных электронов в зоне проводимости (n-область) и дырок в валентной зоне (p-область).

Энергия образования пары «электрон­-дырка» порядка ширины запрещённой зоны (2 – 3 эВ). В газах на образование пары ионов затрачивается ~ 34 эВ. Т.о., в расчёте на одинаковую поглощённую энергию в полупроводниковом детекторе образуется ~ на порядок больше носителей электрических зарядов, чем в чувствительном объёме ионизационной камеры. Плотность полупроводникового детектора ~ в 10³ раз больше плотности газа ионизационной камеры, поэтому и поглощённая энергия (в расчёте на одинаковую плотность потока излучения) в полупроводниковом детекторе на несколько порядков больше, чем в газовом (т.е. ионизационный эффект в полупроводниковом детекторе будет на несколько порядков выше). Это определяет его высокую чувствительность при малых размерах. У полупроводниковых детекторов по сравнению с газовыми – высокая подвижность носителей заряда (например, в кремнии при комнатной температуре подвижность электронов ~1300 см²/В ∙ с, а дырок ~ 500 см²/В ∙ с, тогда как подвижность ионов в воздухе ~ 1 см²/В ∙ с). Высокая подвижность определяет малое время собирания электрических зарядов на электроды и, как следствие, – большую временную разрешающую способность детектора в счётно-импульсном режиме работы. Малое время собирания снижает вероятность рекомбинации положительных и отрицательных зарядов, а большая подвижность носителей заряда определяет большой ионизационный ток. Последнее позволяет использовать на несколько порядков меньшие внешние напряжения, чем в газовом счётчике.

Использование полупроводниковых детекторов для внутриполостных измерений.

При решении отдельных задач радиационной медицины для дозиметрии внутри некоторых полостей в организме человека, применяют полупроводниковые детекторы (с (p-n)-переходом) без внешнего источника напряжения. Они миниатюрны и электрически безопасны. В отсутствие радиационного воздействия диффузионный потенциал обеспечивает равновесное состояние в области перехода. Заряды двойного слоя создают запорное электрическое поле. Возникшие при облучении дополнительные носители заряда перемещаются в этом полt (электроны – в n-область, а дырки – в p-область). При разомкнутой внешней цепи это приводит к снижению диффузионного потенциала, что может быть зарегистрировано. В режиме короткого замыкания возникающий в цепи ток пропорционален скорости образования электронно-дырочных пар, т.е. мощности дозы излучения в материале детектора (сопротивление внешней цепи должно быть меньше внутреннего сопротивления). Величина тока j (при U = 0) равнf , где a – коэффициент пропорциональности, связанный с единицами измерения, P_эксп – мощность экспозиционной дозы, – диффузионная длина (расстояние, на которое перемещается носитель заряда вследствие диффузии в течение его среднего времени жизни τ_i), D_i – коэффициент диффузии i-го носителя.

Облучение может вызвать повреждения в веществе полупроводникового детектора, при которых может возрасти его удельное сопротивление. Необратимые радиационно-индуцированные нарушения электрической проводимости сами по себе тоже могут быть использованы для дозиметрии.

Можно использовать для дозиметрии не только детекторы с (p-n)-переходом, но и однородные полупроводники. Мощность дозы может определяться по наведенному току, например, в кристаллах сульфида кадмия (CdS).

Недостатки полупроводниковых детекторов.

Малая ширина запрещённой зоны обуславливает появление свободных электрических зарядов в чувствительном объёме счётчика в результате флуктуации энергии теплового движения. Это приводит к возникновению высокой фоновой проводимости полупроводника. В некоторых случаях высокий темновой ток не позволяет использовать полупроводники в качестве детекторов ионизирующего излучения. Неопределённость в величине чувствительного объёма затрудняет применение полупроводниковых дозиметров в качестве метрологических установок для измерений дозы. Ограничивает использование полупроводниковых детекторов для определения D и D_эксп и зависимость дозовой чувствительности от энергии излучения.