DE1907971A1 - Halbleiterdetektor - Google Patents

Description

/ v:jk.

Halbleiterdetektor.

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterdetektor zua Messen und/oder Detektieren ionisierender Strahlung Bit einen grossen empfindlichen Volueen, insbesondere für Qaama-Spektroattri·.

BekanntIioh lassen sich die YerveadungSftagllohktite* von Strahlungsdetektor« durch Vergrösserung des' Tolueens des eepfind-Iichen Dctektorteiles ausdehnen. Ihiroh Verdrosselung der EinfallsfllA· und des nützlichen Querschnittes des Halbleiterkristall es kann die Km- *P ^e der Einfallsstrahlung vergr6'ssert werden, während durch Vergrosae- ^ rung der Dicke des empfindlichen Teiles die Strahlungsabsorptloii er*

«ο höht werden kann, insbesondere wenn die Strahlung eine grosse BLndrina-

-* tiefe aufweist.
ο

^ In der Oaxoea-Spektronetrie sind z.B. lithiua-koapen-

sierte Oereaniumdstektoren alt flaohen Uberga'ngen und diok«n ««pfiai-

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liohen Zonen bekannt. Bekanntlich ist Lithium ein interstitionellea
Donatorelement mit einem sehr liohen Diffusionskoeffizienten, das bei Einführung al· Verunreinigung Ln einen p-Typ Halbleiterkristall die
Wirkung der im Kristall Torhandenin Ikseptoratome z.B. Bor zu neutralisieren euoÄt. SLn* passende Wahl der Konzentrationen der p-Typ Verunreinigungen und de· Lithiums ermöglicht, eine kompensierte Halbleite.x— zone mit einer praktisch intrineiken Leitfähigkeit und einem hohen spezifischen Widerstand zu erzielen, die eine dicke empfindliche Zone for die Detektion ionisierender Strahlung bilden kann. Die Dicke solcher kompensierten empfindlichen Zonen, die durch Zufuhr von Lithium-Ionen von einer Oberfläche des Krist&lles ab untor der Wirkung eines elektrischen Feldes erhalten werden können, ist jedoch beschränkt. Dickere kompensierte Äonen sind bereite dadurch erhalten worden, dass gleichzeitig von zwei einander gegenüber liegenden Flächen eines Kristalles her Lithium in den Kristall eindiffundiert wurde. Durch die bekannten Techniken lassen »ich empfindliche Zonen erzielen, deren Dicke auf
.maximal etwa 20 mm beschränkt ist_t wobei das empfindliche Volumen maximal etwa 15 ca betragt.

Ferner sind sogenannte koaxiale -Detektoren mit einem

groesen empfindlichen Volumen bekannt, wobei der Kristall die Form eines Zylinders oder eines Prismas mit trapezförmiger Basis aufweist. Letztere Form ist der Form von Einkristallen angepasst, die durch Kristallisierung in einem horizontalen Schiffchen erhalten werden. Diese koaxi-

CO elen Detektoren haben einen Übergang praktisch zylindrischer Form, wo-

-* bei die Achse parallel zu den erzeugenden Linien des Detektors verläuft.

^ Daa Volumen des empfindlichen Teiles dieses Koaxialen

Detektors wird 4urch da3 Volumen der erzielbaren Einkristalle begrenzt,

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wobei bemerkt wird, dass bekanntlich die Wahrscheinlichkeit von Kristall« fehlern sich schnell mit den Abmessungen der Einkristalle erhöht. Obgleich e3 möglich ist, Detektoren dieser Art mit einem Volumen der Orössenordnung von z.B. 50 cm 'herzustellen* bringt das Ziehen der Einkristalle zu viele Schwieri^ceiten bei der industriellen Herstellung alt sich. Ausserdem beschränkt die maximal erzielbare Tiefe der lithiuakompensierten Zone, die durch Diffusion von der Aussenfla'ohe des Zylinders und/oder von d*er Oberfliehe einer Höhlung darin her erhalten wird, . die Abmessungen des Detektors, wodurch auch die Bearbeitungen kompliziert werden.

Ss fügt sich noch hinzu, dass in diesen zylindrischen oder prismatisohen Detektoren die Verteilung des elektrischen Felde* veniger gleichnässig ist als in einem Detektor mit flachem Übergang. Die Sammelzeiten der Ladungen und die Anstiegzeiten der Impulse sind TerCnderlich und da3 Auflösungsvermögen ist weniger gut. Ausserdem ist die Kapazität dieser Detektoren'sehr gros3.

Weiterhin zum Erleichtern der Beförderung und Speicherung und zum Aufrechterhalten der Qualität des Detektors «oll der Detektor vorzugsweise mi$ einer geschlossenen Hülle versehen werden, die ihn vor Verschmutzung schützt. Dies ist umso mehr notwendig bei lithiuekompensierten Gernaniumdetektoren, da diese bei einer Temperatur £hnllek der des flüssigen Stickstoffs verwendet werden müssen und auch bei nied-

(O rigen Temperaturen aufbewahrt werden sollen.

*** Um einen hohen Detektion3wirkungsgrad und ein hohes

^ AuflösungBvermößen zu erzielen, ist es vorteilhaft, einen Detektor Bit

O einem gros3en empfindlichen Volumen zur Verfugung zu haben, der einen

oder mehrere flache übergänge aufweist, die ein gleichsa'saige* Feld be-

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grenzen, wobei der Einkristall minimal bemessen uni mit einer zweckdienlichen Abschirmung versehen ist. ,

Sie Erfinduni: bezireckt, einen Detektor zu schaffen, der die3e Bedingungen erfüllt und gründet eich auf die Erkenntnis, dass die· dadurch erzielt werden kann, dasq der Detektor aus mehreren Detektionoelementen nit flachen tTbercängen aufgebaut wird« wodurch die Fora der DeteVttionselemente vorteilhaft derart gewählt werden kann, dasa ein Detektor mit koaxialer Struktur erhalten vrerden kann, wobei einerseits die Vorteile der mit flachen Übergängen versehenen Detektoren mit denen der koaxialen Detektoren mit grossen Volunen kombiniert und andererseits die Schutzanforderungen und die vorerwähnten Wirkungsbedingungen erfüllt werden.

Nach der Erfindung ist «in Halbleiterdetektor eingang« erwähnter Art dadurch gekennzeichnet} dass er eine Aneahl von Halbleiter» detektionaelementen enthalt, deren Halbleiterkristall die Fora eine« Prismas mit gleichschenkliger, trapesfuralger Baeie mufweiet und ninde·- tens einen zu den beiden parallelen 3eitenflaOhen des Kristallee praktisch parallelen Ealbleiterübergang beaitst_f welche Detektiotweleaente in einen regelnlesigen Vieleck angeordnet sind wobei die kleinere der erwähnten parallelen Seitenflächen jede« Kristalle· dem Zentrus de« Vielecks zugewandt ist.

to Der Detektor nach der Erfindung hat soait die Struktur

(O eines koaxialen Detektor·. Die nützlichen, empfindlichen Zonen bilden

^ einen re^e!massigen, rieleckigen Ring, ^fobei jode empfindliche Zone und

_» jeder Halbleiterffbergang eine flache Struktur aufweisen.

O In einer bevorzugten Au*führung·for» der Erfindung ent*·

halt jedes üetektionseletaent einen Oeroaniuehaibleiterkrietall, wobei

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die an die beiden parallelen Seitenflächen grenzenden Kristallteile de« einen Leitfähigceitstyps sind und zwischen diesen Teilen »ve! praktisch vollständig kompensierte Zonen vorhanden sind, die duroh «in· eohiohtenartige Zone des anderen Leitfähi^ceitstyps voneinander getrennt sind.

Vorzugsweise sind die beiden Teile des ointn Leitfa*higkeit3typs mit Lithium dotiert, wobei die beiden Zonen durch Diffusion von Lithium unter der Virkung eines angelegten elektrischen Feldes koepensiert sind. Die Fora jedes Elementes sohliesst sich an die Einkristallen an, die durch die bekannte Technik der horizontalen Kristallisierung· erhalten werden und daher lassen sich dies· Kristalle praktisch ohne Materialverlust verwenden.

Alle Detektionaelemente sind einander gleich, so dass eine Möglichkeit eines Austausches dieser Elemente vorliegt und jede* ochadhafte Element einfach ersetzt werden kann, so dass ein Defekt nicht sofort den ganzen Detektor unbrauchbar macht.

Id Vergleich zu einem üblichen koazialen Detektor mit

einem gleichen empfindlichen Volumen hat der Detektor nach der Erfindung höhere Zuverlässigkeit, da die Qualität der gesonderten, kleineren Einkristalle häufig besser sein wird als di.o des einsigen, groesen Einkristallen des bekannten Detektors.

Die Detektionaeleeente des Detektors nach der Erfindung

CO lassen sich im Innern einer gemeinsamen, abgeschlossenen Hülle asua&men-O

£? fügen oder ohne Hülle in Geräten unterbringen wie Cryostaten,. Valsuue-

(O räumen, usw.

-* Vorzugsweise ist jedes Detektionselement nit einer »b-

° geschlossenen Hülle versehen, die die Form eines den Einkristall •ohliessenden Prismas mit trapezförmiger Basis aufweist.

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Bei lithium-koapensierten QermaniuBdctektoreti buss oft während der letzten Herstellungsstufe oder w£hrsnd deo Qtbraucha eine Neuverteilung der Lithium-Ionen durchgeführt werden, um dl« Kompensation in der empfindlichen Zone wiederhersuateile». Der Zusammenbau des Detektors nach der Erfindung, wobei die Betektionselestente gesondert in einer prismatischen Hülle mit trapezförmiger Basis unterge-

■k bracht sind, mach dieso Neuverteilung einfaoh durohfuhrbar.

Die ringförmige Struktur des Detektors nach der Erfindung schafft ia der Aoha· de« Detektor« eines vsx&SltnlsaXasig gposaen, freien 3aun» wodurch der Detektor al» Detektor des "Orubentyps" ssur As»-* lyse eines im Zentrum des' Singes angebrachten Master* T<mre»&«t kann.

Die Anzahl von Setektionselcsenfon fur den

bau des Detektors na ah der Erfindung ist nicht begrenst* Xn eine? teilhaften Auofuhrungafor* bstra'gt diese Ansahl 3 bis 12 und der zwischen den nicht parallelen 3eit*nflft'oheu j«dex> Hüll® oder jedes KrIs-

F talles ist gleich dem Quotienten von 360 und diese? Ansah!« Dieser Winkel ist z.B. bei & Elementen gleich 45°*

Jedes Detektionsel««9B$ as «iofe ie% ein Setsistor alt einem flachen Übergang und einen gleicha&'33if@äi Feld ismä ®lm® trischen Struktur., wodurch sehr hohe Aufl5suag!SV«$sägGn ©raialt

<O können, wobei Impulse kursier Anstiegseit «ntstehesj da die O

^ der ladungsträger sehr kurz sind..

to Ein Vorteil der Mehrfachstruktur dsm Oet&ktors

der Erfindung iot weiterhin der, dass den

eine elektronische VeratSrkungsvorriohtung oder ml®A®m%«m ©4® stsjrtcer zugeordnet werden kann» so dass holt«

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Ferner ist di· Struktur jedes Detektionselement lerart, da·· ein besserer Detektionsfaktor duroa die Verringerung de« Sisflu···· de· Ckmpton-Äffekt·· ersielt wird. Venn Strahlung durch die kleinere der beiden parallelen Seitenflächen eindringt, ergibt die Trapezform ein besserer Verlüültnis dta Spitzenwert·« infolge der Oeaamtenergle euB Spitzenwert infolge de· Ceaptoa-Effektea, Wenn einander gegenüber liegende Elemente eines Detehtors mit gesonderten Vorverstärkervorrichtungen verbunden sind, l£sst eioh mittels Koinzidenzschaltung eine Trennung zvisohen den Signal infolge dor photo-elektrischen Wirkung und dem Signal infolge des Compton-Effekts durchführen.

Die Abmessungen jedes Detektionselementea und des Detektors nach der Erfindung lassen sich an die verlangte Verwendung anpassen. Für Oamna-Spektronetri· einer Strahlung von etwa 2 MeV ist lie grössere der beiden parallelen Seitenflächen jedes Elementes vorzugsweise annähernd quadratisch.

Vorteilhaftervreise enthält jedes Detefetioneelement

einen aermaniumkristall, der la'hgs der £¹¹J~ Fläche kristallisiert ist und der lithiuB-kompeneierte Zonen aufweist und in einer abgeschlossenen Hülle vorzugsweise aus Aluminium untergebracht iat, welche Hülle eine der Elektroden des Detektionoelementes bildet. Zwei andere Elektroden können mittels einer isolierten Durchführung durch die Vand ge- *° führt sind, wahrend innerhalb der Hülle ein erniedrigter Gasdruck o<£er

O₀ nahezu Vakuum geschaffen werden kann.

(D Solche Hüllen lassen sich vollständig in üblicher Weise

""* herstellen. 3er Verschluss jeder Hülle kann s.3. durch Kalt3cliweis3en O

^ an der Boden oder der oberen Fläche aes Prismas hergestellt werden.

nterscbiedlicken Elemente einea Deiters nach

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der Erfindung lassen sich selbstverständlich auch gesondert verwenden oder zu einem Ringteil zusammenfügen. ,

In gewissen Fällen kann es vorteilhaft sein, das Volumen den Detektore weiter zu vergrösaern, indem in den sentralen freien Haum ein koaxialer Detektor untergebracht wird, der eich ,ijeraeinsam mit den ringförmigen Elementen verwenden la'sst.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung nSher erläu-P tert, in der

Fig. 1 senemati«eh eine perspektivische' Aneicht eines Detektionselementes nach der Erfindung,

Fig. 2 3chenatieoh einen Sohnitt durch «inen Halbleiterdetektor nach der Erfindung, der aus einer Anzahl von Detektion·- elementen nach Fig. 1 zusammengebaut iat,

Fi ,ς. 3 schematisoh eine Seitenansicht ein·· Detefct ions el einen tee reit einer abgeschlossenen Hull« und

Fig. 4 sohematiech einen Schnitt 1finge der Ebene IV-IV in Pig. 3 zeigen.

Bas in Fig. 1 dargestellte Detektioneelement enthält einen Einkristall 1 in Fona eines Prismas mit gleichschenkliger, trapezförmiger Basis. Dieses Element hat somit sivei parallele Seitenflachen 2 und 3 und zwei schräg« Seitenflächen 4 und 5· Der Kristall 1 hat z.B. dine zentrale p-Typ Zone 5, an der auf beiden Seiten eine dicke, praktisch intrinsike Zone 7 bzw. S und eine n-i^jrp Zone 9 "bew..

U) 10 angebracht sind. Diese unterschiedlichen Zonen Bind durch flache **· Oberflächen begrenxt, die praktisch parallel zu den Flüchen 2 und 3 Ξ? verlaufen und HalbleiterübergSage bilden.

Die praktisch intrinsiken Zonen lassen «loh In

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Weise durch Diffusion unter der Wirkung eines elektrischen Feldes den zwei Oberflächen 2 und 3 von Lithium-Ionen in den Halbleiterkristall z.B. aus p-Typ Germanium bilden.

Der schematisch in Fig. 2 dargestellte Detektor enthält acht prismatische Elements 11 bis 13 mit gleichseitiger, trapssförmiger Basis. Diese Elemente 11 bis 18 können denen nach Fig. 1 a"hn-Iich sein. Sie lassen sich direkt zusammenfügen odsr jiit einer gesonderten, prismatischen, abgeschlossenen Hülle rersshen. Jedss prismatisohs Element 11 bis 18 ist derart angeordnet, dass ssins schräge Seitenfläche 19 (entsprechend der Fläche 4 des Kristalles 1) der Seitenfläche (entsprechend der Fläche 5 des Kristallss 1) sines anderen, benachbarten Kristalles zugewandt ist und dass die zwei Seitenflächen 21 (entsprechend der Fläche 3 des Kristalles 1) zweier benachbarter Elemente Ton 11 bis 18 der gleichen Seite zugewandt sind, so dass dis Elemente gemeinsam eis regelmäsaiges Vieleck bilden, wobei dis kleineren (21) der parallelen Seitenflächen der DstsktionsslsmWte de* Zentrum des Visleoks sugsvaaat sind.

JQmIioh vie in Flg. 1 sind dis p*fyp Zonen 6, dl· pMk> tisch intrinsiksn Zsnsn 7 und 6 und dis n-fyp Zonen 9 und 10 durch gsstriohelts Linien angedeutet. Diese Zonen bilden suss**»« konssntrisoas, praktisch ringförmig« Sätze.

co In Fig. 2 ist dsutliohkeitshalbsr die die Qestent« 11

*° bis 18 zusammenhaltende Vorrichtung, welohe dis Steifheit des Qanzstt

^ ergibt, nicht dargestellt. Es genügt dazu, sin einfaches Mtallisons* __» . oder nötigenfalls isolierendes Band zu rerwenden, wobsi ferner

ο gema'38 die Vorrichtung, in der der Detektor Tsrvendet viid, s.B. d Cryostat, an dem oder in dem er befestigt ist, slns Soll· ipislt.

IF-CI. 344-. - 10 - .

Die Pig. 3 und 4 aeigen einen Halbleiterglas tall in einer gesonderten priematisehen Hülle.

Der Einkristall 1 wird in einer Hüll« 22 durch Blöde· 23 bie 27 aus Isoliermaterial z.B. Polytetrafluorethylen festgehalten. Die Blöcke 27 werden durch Rücken in der Wand der Hülle festgehalten, während 3ie an der Stelle der p-Ityp Zone 6 auf den Seitenflächen 4 und 5 des Einkristalles ruhen. Die Blöcke 27 können ait einer Metallschicht vorzugsweise aus Aluminium versehen sein, so dass sie eine elektrische Verbindung zwischen den Zonen ό und der Hülle herstellen können.

Die Hülle 22. i3t mit einem Deckel 29 versehen, der an dem Kragen 30 der Hülle befestigt ist "mittels einer Kaltsehweisse 31. 2>a diese Verbindung, die luftdicht aein muss, den Tesnperaturunterschieden widerstandsfähig sein soll, denen der Detektor ausgesetzt wird, uat©r anderem wenn er auf die Temperatur flüssigen Stickstoffs gebracht wird, ist der Deckel mit einer tiefen Nut 32 versehen, die unerwünscht© 3pa»°» nungen verhütet.

Die Verbindungen mit den n-Ί^ρ Zonan 9 und 10 werden

durch zwei Durchführungen 38 und 50 hergestellt.

"Diese Durchführungen sind luftdicht. Sie werden z.3»

durch ein Metallrohr 40, vorzugsweise aus Kupfer, gebildet, das in eines= Eisen-HicXel-Muffe 41 festgelötet und durch einen isolierenden Ring 43 gegen einen Eisen-Nickel-Ring 42 isoliert ist. Ber Ring 42 ist

-_ gestanzten Kupferteil 44 festgelötet, der durch eine Kaltschweisss 45

U) an der Hülle befestigt ist, die meistens aus Aluminium besteht. CO

**» An einem der ftöhre 40 ist eine elastisch® Zunge feat-

geschv/ais3t, die nit der Zone 9 einen Druckkontakt herstellt. Am d®sa anderen Rohr iat ein in Fig. 4 nicht dargestellter, isolierter Leiter

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befestigt, der einen Kontakt mit der Zone 10 herstellt.

Im Innern der Hülle in Baum 47 awisohen der Hülle und dem Kristall 1 herrscht Vakuum vor, das durch die Rohre 40 erhalten ist, die nachher durch Zusamicenpressung' geschlossen.werden können* In etie Hülle kann auch «in neutrales Gas niedrigen Drucks zugelassen werden.

Die vorstehend beschriebene Hülle besteht vorzugsweise au3 Aluminium mit einer Dicke von »twa 0,5 am·

Die Verbindungen der verschiedenen Oebiete eines BLnkristalles können anders sein als in den Fig. 3 und 4* Der Deckel 29 am Boden der Hülle 49 kann z.B. alt einer isolierten Durchführung Ähnlich der Durchführung 59 oder eines anderen Typs versehen sein. In bestimmten Fällen kann eine OberflSohensone z.B. die Zone 10 oder die Zone 9 (Fij. 4) nit der Hülle durch einen direkten Druckkontakt verbunden sein.

Bei Hüllen nach den Fig. 3 und 4 können die Detekti-

onaelemente in Reihenfolge in einer Richtung und in der entgegengesetzten Sichtung angeordnet werden, so dass die SeitenfHohen 19 und 20 zweier aufeinanderfolgender Hüllen einander gegenüber liegen können, ohne dass die Deckel und die Flansche 30 zweier benachbarter Hüllen sich gegenseitig hindern.

,O * Die Ausführungsform nach Flg. 2 enthalt aoht Elemente

(D und ist besonders vorteilhaft, wenn Einkristalle vorhanden sind, deren

Kanten des trapezförmigen «mereohnittes eine symmetrische Neigung von

22° 30* aufweinen. Bs ist selbstverständlich vorteilhaft, den schnitt des Halbleiterftristallee eines Elementes an die Anzahl to* nenten des Detel. »s oder uagekehrt anzupassen.

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Eb wird einleuchten, dass die Erfindung eich nicht auf die "beschriebenen Ausführung3formen be3claränkt und dass dem Fachmann innerhalb dee Rahmens der Erfindung viele Abarten sur 7ei*fügung stehen.

Ill V Es können z.3. die Halblei terkrisftalle aus Silicium odor einer A ά Verbindung bestehen, während die "Kristalle statt awei z.B. eine einzige kompensierte Zone enthalten können. Kompensation durch Lithium kann vollständig vermieden werden, wenn alo Ausgangsmaterial für die Detefctionselemente Kalbleiterkri3tallo mit hohem spezifischem Widerstand verwendet werden, in denen z.B. diffundierte Zonen entgegengesetzten Leitfähiglceitatyps untergebracht werden können.

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Claims (3)

/ .'■ · j · PHN. 344';. - 13 PATEKTAKSPRPCHE.

1. Halbleiterdetektor zum Messen und/oder Detektieren ionisierender Strahlung insbesondere für Gamma-Spektrometrie nit einem groasen enpfindlichen Volumen dadurch gekennzeichnet! dass der Detektor eine Anzahl von Halbleiterdetektionaelementen enthält, deren Halbleiterkristall die Form eines Prismas mit gleichseitiger, trapesformiger Basis aufweist und mindestens einen su den beiden parallelen Seitenflächen des Kristallee praktieoh parallelen Halbleiterübergang beaitst, welcke Detektionselemente in einem eleicbaassigen Vieleck angeordnet DiBd₉ se dass die kleinere der erwähnten parallelen Seitenfläche jede» Kristalle· den Zentrum des Vieleol:s su gewandt ist.

2. Halbleiterdetektor nach Anapruoh 1 dadurch gekennseloknet. dass jedes der Detektionselemente alt einer HSlIe rersehen ist, die auch die Form eines Prisaas alt gleichseitiger trapesf artiger Basis aufweist.

3. Halbleiterdetektor naoa Anspruch \ oder 2 dadurch, ca* kennzeichnet, dass der Halbleiterkrietall jedes der Detektioaseleaeate ein Qenr.aniuakri stall istj bei dem die an die beiden parallelen Seiteo»

' t

fla'chen grensenden Teile des Kristallee des einen Leitffhigkeitstype sind, und zwischen diesen Teilen ssvei praktisch kofipensierte Zoaen vor* ^ handon sind, die durch eine Sohicht des anderen Leitflhigkeitatjrpa tva*

Ot, einander getrennt sind, welche Zonen fünf aufeinanderfolgende Zonen co

CO bilden.

-* 4. Halbleiterdetektor nach einem oder mehreren der torker·

^ gehenden Ansprüche dadurch gekennseiohnet, dass die Anaalil worn Detektionselementen mindestens 3 und höchstens 12 betrifft·

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gehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, diss die grossere der beiden parallelen Seitenflächen .jede· Detek-tionselenentes praktisch quadratisch ist.

. Halbleiterdetektor nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Hüll· praktisch vollständig aus Aluminium besteht und eine der Elektroden des Detektionseleeentes bildet. 7. Halbleiterdetektionselement geeignet zur Verwendung

in einen Halbleiterdetektor nach einem oder mehreren der rorhergehendes Ansprüche dadureh gekennzeichnet, da·· ·· «inen Halbleiterkristall enthält, der die Fons eines Prisma· »it einer gleicheeitigen, trapesf©*»= raigen Basis aufweist» und in den sioh ei« Halbleiterüfeersanff praktisch parallel zu den beiden parallelen Seitehfllohen de« Kristalle« rerlXuft«

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