Помощь студентам в учебе
ПОДВИЖНОСТЬ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ С ГЛУБОКИМИ ЦЕНТРАМИ
|
Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1 Электрофизические характеристики детекторов ионизирующих излучений 6
1.1 Принцип действия полупроводникового детектора 6
1.2 Основные физические свойства GaAs 8
1.3 Арсенид галлия, компенсированный хромом 9
1.4 Электрофизические характеристики HR-GaAs:Cr 10
1.4.1 Влияние компенсации на удельную проводимость 10
1.4.2 Удельное сопротивление и вольт-амперные характеристики HR-GaAs:Cr структур 12
1.4.3 Подвижность в сенсорах на основе HR-GaAs:Cr 13
1.5 Метод монополярного дрейфа 15
1.6 Эффект Холла 17
1.7 Метод Ван дер Пау 22
Глава 2 Методика эксперимента 26
2.1 Исследуемые HR-GaAs:Cr структуры 26
2.2 Методика измерения темнового тока в структурах на основе HR-GaAs:Cr 27
2.3 Определение подвижности носителей заряда методом монополярного дрейфа 28
2.4 Определение подвижности носителей заряда методом Ван дер Пау 29
Глава 3 Экспериментальные данные 32
3.1 Вольт-амперные характеристики 32
3.2 Импульсные характеристики 33
3.3 Результаты измерения дрейфовой скорости электронов методом монополярного дрейфа
3.4 Результаты расчёта дрейфовой подвижности методом Ван дер Пау 36
3.5 Обсуждение экспериментальных результатов 38
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 39
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 41
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1 Электрофизические характеристики детекторов ионизирующих излучений 6
1.1 Принцип действия полупроводникового детектора 6
1.2 Основные физические свойства GaAs 8
1.3 Арсенид галлия, компенсированный хромом 9
1.4 Электрофизические характеристики HR-GaAs:Cr 10
1.4.1 Влияние компенсации на удельную проводимость 10
1.4.2 Удельное сопротивление и вольт-амперные характеристики HR-GaAs:Cr структур 12
1.4.3 Подвижность в сенсорах на основе HR-GaAs:Cr 13
1.5 Метод монополярного дрейфа 15
1.6 Эффект Холла 17
1.7 Метод Ван дер Пау 22
Глава 2 Методика эксперимента 26
2.1 Исследуемые HR-GaAs:Cr структуры 26
2.2 Методика измерения темнового тока в структурах на основе HR-GaAs:Cr 27
2.3 Определение подвижности носителей заряда методом монополярного дрейфа 28
2.4 Определение подвижности носителей заряда методом Ван дер Пау 29
Глава 3 Экспериментальные данные 32
3.1 Вольт-амперные характеристики 32
3.2 Импульсные характеристики 33
3.3 Результаты измерения дрейфовой скорости электронов методом монополярного дрейфа
3.4 Результаты расчёта дрейфовой подвижности методом Ван дер Пау 36
3.5 Обсуждение экспериментальных результатов 38
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 39
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 41
Ионизирующее излучение, генерируемое в синхротронных комплексах, в настоящее время является важнейшим исследовательским инструментом в изучении свойств космической материи, звёзд, структуры планет, а так же в изучении материалов с новыми электрофизическими свойствами. Синхротронное излучение позволяет исследовать с высокой точностью структуру молекулы вещества, наблюдать динамику процессов её образования, а также процессы образования химических связей. Отрасль науки, занимающаяся исследованием свойств излучений высокой интенсивности и энергии, является физика высоких энергий.
С момента открытия ионизирующих излучений, возник вопрос о создании приборов, которые бы смогли с достаточно высокой эффективностью их регистрировать и идентифицировать. Наиболее подходящими для этих целей являются детекторы на основе полупроводникового материала. В исследованиях физики высоких энергий, они находят широкое применение за счёт присущих им ряда физических характеристик, превосходящих характеристики сцинтилляционных и газовых счетчиков. Например, энергетическое разрешение полупроводниковых детекторов и их быстродействие, во много раз выше, чем у их газовых и сцинтилляционных аналогов. За счёт гораздо большей плотности твердотельной структуры, по сравнению с газовыми сенсорами, пробег ионизирующей частицы укладывается в гораздо меньшем объеме активной области, благодаря чему толщина полупроводниковых детекторов может составлять несколько десятков микрометров. Широкое применение полупроводниковых детекторов явно отражено в международном проекте ATLAS at LHC (Большой адронный коллайдер), стоимостью более 500 млн. долларов. В проекте пиксельные полупроводниковые сенсоры занимают площадь более 2 м2 и содержат 140 млн чувствительных элементов (пикселей), а микрополосковые детекторы покрывают площадь более 60 м2 и содержат более 6 миллионов полосковых элементов.
Серьезной и актуальной проблемой при изготовлении полупроводниковых детекторов, для внедрения их в синхротронные комплексы и коллайдеры, является выбор полупроводникового материала, обладающий высокой радиационной стойкостью и эффективностью регистрации излучения. В последнее время, бинарные и тройные соединения, такие как GaAs, CdTe, CdZnTe , вытесняют традиционные материалы, такие как: кремний и германий. Наибольший интерес из данных соединений представляет GaAs, компенсированный хромом диффузионным методом. Эта примесь хорошо изучена и используется для изготовления высокоомных структур (HR-GaAs:Cr, где HR - High Resistivity). Экспериментальные значения удельного сопротивления структур на основе данного материала, составляют 109 Ом • см, что позволяет минимизировать уровень темнового тока в цепи и повысить соотношение сигнал-шум. В диапазоне от 10 до 60 кэВ, коэффициент поглощения у детекторов на основе HR-GaAs:Cr выше, чем у кремниевых сенсоров.
Субнаносекундный диапазон длительности импульсов излучений на станциях синхротронного излучения накладывает ряд требования по быстродействию детекторов ионизирующих излучений. Основным параметром, определяющим быстродействие детектора, является подвижность носителей заряда. На основе анализа литературных данных установлено, что значение подвижности носителей заряда в материале на основе HR-GaAs:Cr до сих пор в точной степени не определено и варьируется в пределах (2500 - 4500) см-2 • В ' • с '.
Данная работа направлена на определение значений подвижности носителей заряда в HR-GaAs:Cr детекторах методами монополярного дрейфа и Ван дер Пау.
С момента открытия ионизирующих излучений, возник вопрос о создании приборов, которые бы смогли с достаточно высокой эффективностью их регистрировать и идентифицировать. Наиболее подходящими для этих целей являются детекторы на основе полупроводникового материала. В исследованиях физики высоких энергий, они находят широкое применение за счёт присущих им ряда физических характеристик, превосходящих характеристики сцинтилляционных и газовых счетчиков. Например, энергетическое разрешение полупроводниковых детекторов и их быстродействие, во много раз выше, чем у их газовых и сцинтилляционных аналогов. За счёт гораздо большей плотности твердотельной структуры, по сравнению с газовыми сенсорами, пробег ионизирующей частицы укладывается в гораздо меньшем объеме активной области, благодаря чему толщина полупроводниковых детекторов может составлять несколько десятков микрометров. Широкое применение полупроводниковых детекторов явно отражено в международном проекте ATLAS at LHC (Большой адронный коллайдер), стоимостью более 500 млн. долларов. В проекте пиксельные полупроводниковые сенсоры занимают площадь более 2 м2 и содержат 140 млн чувствительных элементов (пикселей), а микрополосковые детекторы покрывают площадь более 60 м2 и содержат более 6 миллионов полосковых элементов.
Серьезной и актуальной проблемой при изготовлении полупроводниковых детекторов, для внедрения их в синхротронные комплексы и коллайдеры, является выбор полупроводникового материала, обладающий высокой радиационной стойкостью и эффективностью регистрации излучения. В последнее время, бинарные и тройные соединения, такие как GaAs, CdTe, CdZnTe , вытесняют традиционные материалы, такие как: кремний и германий. Наибольший интерес из данных соединений представляет GaAs, компенсированный хромом диффузионным методом. Эта примесь хорошо изучена и используется для изготовления высокоомных структур (HR-GaAs:Cr, где HR - High Resistivity). Экспериментальные значения удельного сопротивления структур на основе данного материала, составляют 109 Ом • см, что позволяет минимизировать уровень темнового тока в цепи и повысить соотношение сигнал-шум. В диапазоне от 10 до 60 кэВ, коэффициент поглощения у детекторов на основе HR-GaAs:Cr выше, чем у кремниевых сенсоров.
Субнаносекундный диапазон длительности импульсов излучений на станциях синхротронного излучения накладывает ряд требования по быстродействию детекторов ионизирующих излучений. Основным параметром, определяющим быстродействие детектора, является подвижность носителей заряда. На основе анализа литературных данных установлено, что значение подвижности носителей заряда в материале на основе HR-GaAs:Cr до сих пор в точной степени не определено и варьируется в пределах (2500 - 4500) см-2 • В ' • с '.
Данная работа направлена на определение значений подвижности носителей заряда в HR-GaAs:Cr детекторах методами монополярного дрейфа и Ван дер Пау.
Исследована подвижность носителей заряда в HR-GaAs:Cr структурах методами монополярного дрейфа и Ван дер Пау. На основе полученных экспериментальных и расчетных данных можно сделать следующие выводы:
1) Измерен уровень темнового тока в HR-GaAs:Cr образцах каждой пластины. При напряжении смещения U = 130 В, среднее значение темнового тока составило 200 и 162 нА для HR-GaAs:Cr пластины №1 и №2, соответственно.
2) Под действием наносекундного ИК-излучения получены импульсные характеристики HR-GaAs:Cr детекторов. Анализируя импульсные характеристики, было установлено следующее:
а) Длительность импульсов фототока электронов и дырок при напряжение U = 100 В, для пластины №1 составило 7,3 и 2,2 нс, соответственно. Для образцов из пластины №2 характерно время пролета 7,1 и 2 нс для электронов и дырок, соответственно. За счет меньшей длительности импульсы дырочной компоненты (относительно электронов) установлено, что в режиме дырочной проводимости HR-GaAs:Cr детекторы обладают быстродействием на уровне 1-2 нс.
б) По форме импульсов фототока, наводимых дрейфующими дырками в активной области HR-GaAs:Cr детектора, были подтверждены теоретические данные о их сверхмалом времени жизни, за счёт захвата на глубокие отрицательно заряженные центры хрома.
3) На основе зависимости дрейфовой скорости электронов от напряженности электрического поля, было рассчитано среднее значение дрейфовой подвижности электронной компоненты для каждой из HR-GaAs:Cr пластин (3530 ± 210 и 3740 ±110
см2 • В 1 • с 1 для пластины №1 и 2, соответственно).
4) На основе полученных электрофизических характеристик в методе Ван дер Пау, рассчитана подвижность электронов HR-GaAs:Cr материала (3680 и 3940 см2 • В ' • с ' для пластины №1 и 2, соответственно). Установлено, что подвижность дырочной компоненты в 15 - 20 раз меньше относительно электронов и составляет ~ 250 см2 • В 1 • с 1 Малое значение подвижности дырок обусловлено захватом на ионизованные атомы хрома в структуре полупроводника.
5) Используя метод Ван дер Пау, удалось оценить концентрацию носителей заряда в активной области детектора. Для электронов и дырок её средние значения составили: 1,2-106 и 2,1-107 см 3 (пластина №1)и 1,1-106 и 1,8-107 см 3 (пластина №2). Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что исследуемая HR-GaAs:Cr структура имеет p-тип проводимости.
1) Измерен уровень темнового тока в HR-GaAs:Cr образцах каждой пластины. При напряжении смещения U = 130 В, среднее значение темнового тока составило 200 и 162 нА для HR-GaAs:Cr пластины №1 и №2, соответственно.
2) Под действием наносекундного ИК-излучения получены импульсные характеристики HR-GaAs:Cr детекторов. Анализируя импульсные характеристики, было установлено следующее:
а) Длительность импульсов фототока электронов и дырок при напряжение U = 100 В, для пластины №1 составило 7,3 и 2,2 нс, соответственно. Для образцов из пластины №2 характерно время пролета 7,1 и 2 нс для электронов и дырок, соответственно. За счет меньшей длительности импульсы дырочной компоненты (относительно электронов) установлено, что в режиме дырочной проводимости HR-GaAs:Cr детекторы обладают быстродействием на уровне 1-2 нс.
б) По форме импульсов фототока, наводимых дрейфующими дырками в активной области HR-GaAs:Cr детектора, были подтверждены теоретические данные о их сверхмалом времени жизни, за счёт захвата на глубокие отрицательно заряженные центры хрома.
3) На основе зависимости дрейфовой скорости электронов от напряженности электрического поля, было рассчитано среднее значение дрейфовой подвижности электронной компоненты для каждой из HR-GaAs:Cr пластин (3530 ± 210 и 3740 ±110
см2 • В 1 • с 1 для пластины №1 и 2, соответственно).
4) На основе полученных электрофизических характеристик в методе Ван дер Пау, рассчитана подвижность электронов HR-GaAs:Cr материала (3680 и 3940 см2 • В ' • с ' для пластины №1 и 2, соответственно). Установлено, что подвижность дырочной компоненты в 15 - 20 раз меньше относительно электронов и составляет ~ 250 см2 • В 1 • с 1 Малое значение подвижности дырок обусловлено захватом на ионизованные атомы хрома в структуре полупроводника.
5) Используя метод Ван дер Пау, удалось оценить концентрацию носителей заряда в активной области детектора. Для электронов и дырок её средние значения составили: 1,2-106 и 2,1-107 см 3 (пластина №1)и 1,1-106 и 1,8-107 см 3 (пластина №2). Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что исследуемая HR-GaAs:Cr структура имеет p-тип проводимости.
