DE1916938A1 - Strahlungsdetektor mit einem stabfoermigen Halbleiterkoerper - Google Patents

Description

• Strahlungsdetektor mit einem stabförmigen Halbleiterkörper.
• Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden Schweizer Patentanmeldung Nr.8.891/68 vom 14.6.1968 beansprucht.
• Die Erfindung bezieht sich auf einen Strahlungedetektor zum Nachweis von Korpuskular- und Wellenstrahlung mit einem stabförmigen Halbleiterkörper, inebesondere ftlr strahlenbiologische Untersuchungen. Ralbleiter-Strahlungsdetektoren haben auf medizinisch-biologischem Gebiet bei der Untersuchung von Stoffwechselvorgängen u.dgl. Anwendung gefunden. Dabei wird der Detektor z.B. in das Gewebe, die Blutbahn oder den Magen-Darm-Kanal geführt. Der Detektor soll deshalb möglichst kleine Stirnflächen besitzen. Um trotz der kleinen inkorporierten Aktivitäten dennoch eine möglichst große empfindliche Fläche zu haben, wählt man für den Detektor die Form einer Nadel bzw. eines Stabes ("Eletronik-Zeitung" Nr.13, 24.6.1966, Seite 19 und deutsches Gebrauchsmuster 1939, 210).
• Im Prinzip ist ein Halbleiter-Detektor eine Halbleiter-Diode mit einem pn-8bergang dicht unter der Oberfläche. Durch die sehr verschiedene Elektronen- bzw. Löcherkonzentration im n- oder p-Halbleitermatertal bildet sich bei einer Spannung in Sperrrichtung eine Raumladungszone aus. Es herrschen dann ähnliche Verhältnisse wie in einer Ionisationskammer. Wenn ein ionisierendes Teilehon in das Halbleitermaterial eindringt, erzeugt es Ladungsträgerpaare. Das Starke elektrische Feld in der Raumladungazone trennt diese Ladungsträger. Durch ihre Bewegung wird auf den Kontaktflächen eine Ladung induziert, die eine kurz dauernde Abnahme der Vorspannung bewirkt.
• Der E@@ktar sell @@ergie von Teilchen @der Quanten absorbieren und @@@@@@@@@@@@@@@ S@@@@@@@@@@u@@@@@@@@@@@@@leser Ener@t proportional ist. Das elektrische Signal wird dann verstärkt und entsprechend seiner Amplitude analysiert.
• Man kann verschiedene Detektortypen unterscheiden: Bei Silizium--Detektoren mit einem pn-8bergang an der Oberfläche liegt dieser pn-8bergang zwischen einer aufgedampften Gold schicht und dem hochohmigen n-Silizium des Detektorkdrpers. Die Goldsehicht hat beispielsweise eine Dicke von 100 Angstroem. Wenn an das n-Silizium eine positive Spannung angelegt wird, bildet sich eine Raumladungszone aus. Dieser sogenannte Grenzschichtzähler ist jedoch wegen seiner Oberflächenladung empfindlich gegen die Umgebungsbedingungen, wie z.B. Feuchtigkeit und Beruhrung. Um sich gegen derartige Einwirkungen zu schlitzen, ist sehon unter anderem fUr strahlen biologische Untersuchungen ein Kunststofflack verwendet worden (vergl. deutsches Gebrauchsmuster 1939 210), den man über das Stäbehen zieht. Als Schutzkapsel kennen auch dünnwandige Stahlzylinder verwendet werden. Durch beide Mittel ergibt sich jedoch eine Vorabsorption der zu registrierenden Strahlung. Außerdem ist eine Sterilisation des mit Lack überzogenen Detektors, die bei medizinischer Anwendung wichtig ist, nur bei Zimmertemperatur möglich.
• Eine andere Art von Silizium-Detektoren, nämlich solche mit einem eindiffundierten pn-Übergang, werden meist so hergestellt daß man eine dünne Schicht von Donator-Material in p-Silizium - oder auch eine Schicht von Akzeptormaterial in n-Silizium -mit hohem spezifischen Widerstand eindiffundieren läßt. Wenn eine Sperrspannung angelegt wird, bildet sich eine Ranuladungszone aus. Es gibt ferner Lithium-Drift-Detektoren aus Silizium und aus Germanium. Lithium führt zu einer Schicht mit extrem hohem Widerstand. Diese Detekt@ren können z.B. bei ß -Messungen verwendet werden.
• Die bekannten Detektoren ha@@@@ wenn siein stabförmiger Geometrie ausgebildet sind, der Wachteil, daß die Größe des registrierten Impulses nicht nur von der Energie des auftreffenden Teilchens abhängt. Die @mpulsgröse hänngt @ielmehr auch davon ab, ob das Teilchen in der Wähe der Kontektstelle des Detektors oJer in größerer Entfernung von dieser Kontaktstelle auf den Detektor auftrifft. Die nadelartig ausgebildeten Sonden können beispielsweise Längen von 10 mm haben. Wegen des hohen spezifischen Widerstandes des Materials kann unter Umständen das Signal eines an der Spitze der Nadel auftreffenden Teilchens gar nicht oder sehr verspätet bis zur Registrierapparatur vordringen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Strahlungsdetektor in der Form eines Stäbchens zu schaffen, der aus Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial bestehen soll und sich vorzugsweise zum Nachweis von Elektronen niedriger und mittlerer Energie eignen soll. Der Strahlungsdetektor soll eine unempfindliche Oberfläche besitzen, die sich leicht reinigen bzw. sterilisieren läßt. Die Empfindlichkeit des neuen Strahlungsdetektors soll nicht durch zusätzliche Kunststoff- oder Stahlaußenschichten reduziert sein. Es kommen daher die sogenannten Grenzschieht-Detektoren mit äußerer Goldschicht nicht in Frage. Der neu zu schaffende Detektor soll sich vor allem auf medizinisch-biologischem Gebiet zur Messung ionisierender Strahlen eignen. Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß der Halbleiterkörper eine an einem Ende des Stabes zu Tage tretende und kontaktierte metallisch leitende Seele hat.
• Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Außenschicht des Halbleiterkörpers des erfindungegemäßen Detektors durch Diffusion auf der ganzen äußeren Stabfläche umdotiert und am gleichen Stabende wie die Seele kontaktiert ist. Bei einem Halbleiterkörper aus Silizium wird diese Diffusion von außen z.B. mit Phosphor oder Bor ausgeführt. Es ist aber auch günstig, den Halbleiterkörper von außen mit Lithium zu diffundieren und das Lithium danach in den Halbleiterkörper durch Anlegen einer Spannung einzudriften.
• Gemäß weiterer Erfindung kann der Halbleiterkörper auch von der Seele her durch Diffusion dotiert werden. Auch für diese Diffusion eignet sich Lithium ausgezeichnet. Es ist sehr günstig, wenn das Lithium anschließend durch Anlegen einer Spannung in den Halbleiterkörper (von innen her) eingedriftet wird. Ein solcher Halbleiterkörper ist dann in seinem Hauptteil quasi eigenleitend (i) und an der Außenschicht des Stabes von entgegengesetztem Leitungstyp wie an der an die Seele angrenzenden Innenschicht des Stabes.
• Es hat sich ferner als besonders günstig erwiesen, dem Halbleiterkörper des erfindungsgemäßen Detektors, inebesondere wenn dieser aus Silizium besteht, zunächst von außen eine dünne Schicht einzudiffundieren und dann von innen oder von der Mantelfläche her mit Lithium durch Diffusion zu dotieren und mit dem eindiffundierten Lithium dann von innen bzw. von außen her eine t-Zone in den Stab einzudriften. Auf dem Stabquerschnitt folgen dann von außen nach innen folgende Zonen: p+-Zone, i-Zone und n+-Zone bzw. n+-Zone, i-Zone und p+-Zone.
• Beim erfindungegemäßen diffundierten Koaxialdetektor liegt der pn-Ubergang nicht an der Oberfläche des Halbleiterkörpers, s9ndern dicht unter der Oberfläche. Beim erfindungagemäßen gedrifteten Koaxialdetektor liegt der pn-8bergang unter der Außenwand der koaxialen Bohrung für die metallisch leitende Seele im Halbleiterstäbchen oder unter der Außenwand des Stäbchens. An dem Ende des Stäbchens, an dem die Seele kontaktiert ist, kann auch an den Außenmantel ein ohmscher Kontakt angebracht werden. Dieser kann durch flache Eindiffusion oder Einlegieren einer dUnnen aufgedampften Schicht, z.B. aus Aluminium, erzeugt werden. Bei gleicher Form des Detektors wie beim bekannten Grenzschicht--Nadelzähler liegt der Vorteil des erfindungsgemäßen Detektors unter anderem in der Unempfindlichkeit der Oberfläche. Die erfindungsgemäßen Detektoren sind nicht störanfällig, mechanisch wesentlich stabiler und ohne zusätzliche Abdeckung der Oberfläche völlig unempfindlich. Nach einer Versehmutzung der Oberfläche durch eine Inkorporation kann der erfindungsgemäße Koaxialdetektor mit Lösungsmitteln oder Wasser wieder gewaschen werden. Die Reinigung kann z.B. durch Abreiben mit einem Tuch, im Ultraschallbad oder durch Kochen in einem Lösungsmittel erfol gen. Auch die Vorabsorption der zu zählenden Teilchen ist wesentlich geringer als bei bekannten Detektoren, die mit einer Kunststoff- oder Stahlschutzschicht versehen sind.
• Anhand der schematischen Zeichnung von Ausführungsbeispielen werden weitere erfindungsgemäße Einzelheiten erläutert; es zeigen: Fig.1 einen diffundierten Koaxialdetektor mit metallisch leitender Seele, Fig.2 den Querschnitt (senkrecht zur Längsrichtung) durch einen diffundierten und gedrifteten Koaxialdetektor mit metallischer Seele, Fig.3 das Dotierungaprofil auf einem Querschnitt eines Detektors gemäß Fig.1, Pig.4a bis d das Dotierungsprofil eines Detektors gemäß Fig.2.
• Der diffundierte Koaxialdetektor gemäß Fig.1 enthält ein Halbleiterstäbchen 1, z.B. aus Silizium, mit einer Länge L zwischen 2 und 15 mm und einem Durchmesser D bis herab zu 0,5 mm. Das Grundmaterial ist auf einer Stirnfläche 2 leicht angerundet.
• Der ganze Stab ist bis auf die andere Stirnfläche 3 durch Diffusion einer äußerst dünnen Schicht 4 gegendotiert. Die Drahtseele 5 des Koaxialkabels 6 ist mit dem Grundmaterial dadurch an der Stirnseite 3 verbunden, daß das Stäbchen 1 eine axiale Bohrung 7 enthält, deren gesamte Wandfläche als ohmscher Kontakt mit der metallisch leitenden Seele 8 auagebildet ist.
• Dieser großflächige ohmsche Kontakt ergibt eine auagezeichnete Impulsableitung. Die diffundierte Seite (z.B. mit Bor, Phosphor oder Lithium diffundierte Außenschlcht 4) ist leitend mit dem Drahtmantel 9 des Koaxialkabels 6 verbunden. Der Drahtmantel 9 ist gegen die Drahtseele 5 mit einer Schicht 10 isoliert. Die Außenisolation des Kabels 6 ist mit 11 bezeichnet. Das Kabel 6 und das Stäbchen 1 können z.B. mit Leitzement 12 sowie einem Kleber 13 (z.B. Araldit) zusammengefUgt sein. In der Bohrung 7, die z.B. durch Ultraschall hergestellt sein kann, läßt sich der ohmsche Kontakt zwischen der Seele 8 und dem Stab 1 beispielsweise durch eine Leitsilberschicht 14 herstellen. Der Detektor 1 selbst kann durch ein dünnes Silberrohr 15 gehaltert werden.
• In Fig.2 ist der Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung des Detektors) eines gedrifteten Koaxialdetektors schematisch dargestellt. Dieser Detektor besitzt praktisch die gleiche Form und die gleiche Fassung wie der Detektor gemäß Fig.1. Beim Detektor gemäß Fig.2 ist von der axialen Bohrung mit der metallisch leitenden Seele 8 aus mit Lithium radial nach außen diffundiert (Schicht 20). Diese diffundierte Lithium-Schicht 20 macht das Silizium n-leitend. Durch Anlegen einer Sperrspannung und einer Temperaturbehandlung kompensiert das Lithium durch Drift die vorhandene Akzeptorkonzentration praktisch bis zur Außenschicht s des Detektrstäbchens. Dabei entsteht eine eigenleitende (i-)leitende Schicht 21. Die Außenschicht 4 bleibt dabei p-leitend. Gemäß Fig.2 besteht also zwischen der Außenschicht 4 und der Innenschicht 20 eine eigenleitende Zone 21, die insgesamt fttr einfallende Strahlung empfindlich ist.
• Um für eine gleichmäßige Spannungsbelastung des Detektor stäbchens auf seiner ganzen Länge zu sorgen, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Außenachicht 4, insbesondere vor dem Driften, mit einer hoeh-p-dotierten Zone 23 zu versehen.-Man kann in gleicher Weise Lithium von außen nach innen driften.
• Dazu ist es zweckmäßig, vorher eine hoch p-dotierte Innenschicht 20 zu erzeugen. Bei Anwendung wird ein solcher Detektor mit entgegengesetzt gerichteter Spannung beaufschlagt wie der vorher - anhand von Fig.2 - beschriebene.
• 7 Patent ansprüche 2 Figuren

Claims (7)

1. Patentansprüche {1.'Strahlungsdetektor zum Nachweis von Korpuskular- und Wellenstrahlung mit einem stsbförmigen Halbleiterkörper, insbesondere für strahlenbiologische Untersuchungen, dadurch gekennzeichnet; daß der Halbleiterkörper (1) eine an einem Ende (5) des Stabes zu Tage tretende und kontaktierte metallisch leitende Seele- (8) hat.
2. 2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht (4) des Halbleiterkörpers (1) durch Diffusion auf der ganzen Stabfläche umdotiert und am gleichen Stabende (3) wie die Seele (8) kontaktiert ist.
3. 3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht (4) dotiert ist, z.B. mit Phosphor.
4. 4. Strahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht (4) mit Lithium dotiert ist und daß das Lithium außerdem in den Halbleiterkörper durch Anlegen einer Sperrspannung eingedriftet ist.
5. 5. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper von der Seele (8) her oder von der Mantelfläche her durch Diffusion dotiert ist und daß in den Halbleiterkörper von der Seele oder von der Mantelfläche her eine eigenleitende Zone (21) eingedriftet ist, derart, daß der Halbleiterkörper in- seinem Hauptteil quasi eigenleitend ist und daß die Außenschicht (4) bzw. die Innenschicht (20) des Stabes (1) entgegengesetzten Leitungstyp wie die an die Seele (8) oder an die Außenschicht (4) angrenzende dotierte Schicht des Stabes besitzt.
6. 6. Strahlungsdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mit Lithium diffundiert und gedriftet ist.
7. 7. Strahlungsdetektor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste Schicht (23) des Halbleiterstäbchens (1) gegenüber der angrenzenden Schicht hochdotiert ist.