Тема: ПРОЦЕСС ТРАНСПОРТА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В СЕНСОРАХ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ ВЫСОКООМНОГО АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ,КОМПЕНСИРОВАННОГО ХРОМОМ

В настоящее время распространенными устройствами для регистрации ионизирующих излучений являются сенсоры с чувствительным объемом в виде твердотельных структур или газа. Такие устройства получили широкое распространение в таких областях как: медицина, неразрушающий контроль, системы досмотра, физика высоких энергией и астрофизика.
Сенсоры можно разделить по принципу работы и материалам, из которых созданы устройства. Газовые сенсоры ионизирующих излучений не способны эффективно поглощать излучение за счет малой плотности активной области (газа) и более предпочтительными являются твердотельные структуры, где плотность вещества намного выше. Особенно значимым преимуществом твердотельных сенсоров является их более высокая энергетическая и временная разрешающая способность по сравнению с газонаполненными камерами.
Сцинтилляторы относятся к твердотельным сенсорам, работающие по принципу непрямой регистрации. Преобразование энергии излучений в электрический сигнал происходит в два этапа, поэтому эффективность таких устройств остается на низком уровне.
Полупроводниковые сенсоры преобразуют напрямую энергию излучения в электрический сигнал и в настоящее время являются наиболее предпочтительными. Особый интерес проявляется к полупроводниковым материалам с большим атомным номером Z (high Z материалы), для которых характерна относительно высокая плотность вещества. К таким материалам относят полупроводники сложного состава, такие как CdTe или GaAs. Процесс получения CdTe является технологически сложным, что обуславливает высокую стоимость соответствующих структур. В качестве альтернативы широко применяется арсенид галлия (GaAs), нашедший применение в различных сферах микроэлектроники.
Один из подходов к формированию GaAs-структур с детекторными свойствами заключается в компенсации донорной примеси глубоким акцептором — хромом. В результате получается материал HR-GaAs:Cr, обладающий перспективными характеристиками, однако до сих пор недостаточно изученный.
Отметим, что метод монополярного дрейфа (TCT), до настоящего времени практически не применялся для структур на основе HR-GaAs:Cr. Это позволяет выявить научный пробел, существующий в данной области.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование временных характеристик сенсоров на основе HR-GaAs:Cr с применением метода TCT. Полученные результаты позволят уточнить параметры транспорта зарядов и определить особенности дрейфа неравновесных носителей, что может быть использовано для повышения чувствительности и разрешающей способности сенсоров на основе данного материала.
Оригинальность данной работы заключается в применении метода TCT к структурам на основе HR-GaAs:Cr, что ранее практически не встречалось в научной литературе. Полученные экспериментальные данные дополняют существующую картину физики процессов в данных материалах и могут быть использованы для оптимизации конструкции сенсоров и их практического применения.

Купить

Выпускная квалификационная работа была посвящена исследованию процессов транспорта носителей заряда в сенсорах ионизирующего излучения, выполненных на основе высокоомного арсенида галлия, компенсированного хромом (HR-GaAs:Cr). Основной целью работы являлось экспериментальное изучение временных характеристик отклика сенсоров с использованием метода монополярного дрейфа (Transient Current Technique, TCT) и получение параметров, характеризующих поведение неравновесных носителей заряда в данных структурах.
На первом этапе работы был проведён подробный анализ литературных источников, охватывающих принципы действия сенсоров различных типов - газовых, сцинтилляционных и полупроводниковых. Было установлено, что полупроводниковые сенсоры обладают рядом значительных преимуществ, включая высокую чувствительность, хорошее энергетическое и временное разрешение. Особое внимание было уделено материалам, применяемым в полупроводниковых сенсорах, среди которых GaAs выделяется как один из наиболее перспективных благодаря своим физическим свойствам: высокой плотности, широкому запрещённому диапазону и высокой подвижности носителей заряда.
Альтернативой традиционным полупроводниковым материалам служит высокоомный арсенид галлия, получаемый путём компенсации n-типа проводимости глубокой акцепторной примесью - хромом. В результате такой компенсации снижается концентрация свободных носителей, что позволяет добиться значительного увеличения удельного сопротивления и, соответственно, снижения тока утечки. В работе были рассмотрены физические механизмы, лежащие в основе формирования таких структур, включая особенности распределения электрического поля, влияние ловушек (в частности, £С2-центров) и глубокой акцепторной примеси Cr.
В ходе проведенного эксперимента была проведена оценка быстродействия сенсоров на основе арсенида галлия, компенсированного хромом (HR-GaAs:Cr):
- для сенсора №1 при отрицательной полярности длительность выходных импульсов составила 3,0 нс (в области поля более 3 кВ/см), при положительной полярности -
2,5 нс (в области поля более 4 кВ/см)
- для сенсора №2 при отрицательной полярности длительность выходных импульсов составила 3,0 нс (в области поля более 3 кВ/см), при положительной полярности - 2,0 нс (в области поля более 4 кВ/см) .
В результате проведённых измерений была рассчитана полевая зависимость скорости дрейфа электронов в структуре HR-GaAs:Cr. Установлено, что при увеличении напряжённости поля до 5 кВ/см скорость дрейфа возрастает, достигая максимального значения. Однако при дальнейшем росте напряжённости наблюдается спад скорости, что обусловлено междолинным переходом электронов.
Были проведены исследования частотной зависимости импульсных характеристик сенсоров. Установлено, что с увеличением частоты инфракрасных импульсов, амплитуда выходного сигнала существенно снижается. Это связано с эффектом поляризации, возникающим в результате накопления положительного заряда, создающего внутреннее поле, направленное противоположно внешнему полю, что приводит к ослаблению эффективного дрейфа носителей заряда.
Также показано, что повышение температуры сенсора способствует увеличению амплитуды выходного сигнала.
Работа подтвердило актуальность и научную значимость исследований, направленных на расширение применения HR-GaAs:Cr в сенсорных системах, и может служить основой для дальнейших научных разработок и внедрения полученных результатов в практику.

Купить