DE2710310A1 - Halbleiterdetektor fuer ionisierende strahlung - Google Patents
Halbleiterdetektor fuer ionisierende strahlungInfo
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Description
Halbleiterdetektor für ionisierende Strahlung
Die Erfindung betrifft einen Halbleiterdetektor für ionisierende Röntgen-, Alpha-, Beta oder Gammastrahlung.
Die Halbleiterdektoren bestehen aus einem kristallisierten halbleitenden oder halbisolierenden Körper,
in dessen Innerem ein elektrisches Feld mit Hilfe von Kontakten erzeugt wird, zwischen denen eine
Potentialdifferenz aufrechterhalten wird. Wenn ein Impuls der ionisierenden Strahlung diesen Körper
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erreicht, bewirkt er die Ionisation seiner Moleküle und das Freisetzen von Ladungen, die sich in
diesem Feld verschieben. Diese Ladungen, die durch die Elektroden aufgefangen werden, liefern ein Signal,
durch das die einfallende Strahlung ermittelt wird.
Für einen gegebenen einfallenden Ionisierungsimpuls hängt die Menge dieser Ladungen von der Wirksamheit
des Auffangens der Ladungen durch den Detektor ab, das seinerseits u. a. zum einen mit dem Absorptionsvermögen
des Halbleiterkörpers für die einfallende Strahlung und zum anderen mit dem Volumen dieses
Körpers, soweit es die Verschiebung der bewußten Ladungen betrifft, d.h. mit der Ausdehnung der in
dem Körper durch die angelegte Potentialdifferenz erzeugten Feldzone verknüpft ist.
Um diese Menge so groß wie möglich zu machen, werden somit Halbleitermaterialien benötigt, die einerseits
stark absorbierend sind und in denen andererseits diese Feldzone so ausgedehnt ist wie möglich.
Zur Verwirklichung der letztgenannten von diesen Bedingungen werden Halbleitermaterialien benutzt, die
sehr rein sind, d. h. eine sehr geringe Dichte an frei-
12 en Ladungsträgern haben, in der Größenordnung von pro Kubikzentimeter, wobei die bewußten Feld- oder
Raumladungszonen bei einer gegebenen Potentialdifferenz, die zwischen den Elektroden vorhanden ist,
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um so ausgedehnter sind, je größer diese Reinheit ist.
Zur Verwirklichung der erstgenannten der beiden Bedingungen werden Halbleitermaterialien gewählt,
die ein große Dichte oder Atomzahl haben.
Im gegenwärtigen Stand der Technik können aber lediglich einfache Materialien, wie Silicium
oder Germanium mit der gewünschten, sehr großen Reinheit hergestellt werden. Da aber Silicium
ein leichtes Material ist, absorbiert es die ionisierenden Strahlungen nur schwach, während Germanium
zwecks Verringerung des Dunkelstroms, d.h. des Stroms von Ladungen in Abwesenheit jeglicher einfallenden
Strahlung im Betrieb gekühlt werden muß.
Dagegen sind die schweren Materialien, wie Galliumarsenid, Cadmiumtellurid und Quecksilberjodid, um
nur die wichtigsten zu nennen, mit dem gewünschten Reinheitsgrad schwierig herstellbar.
Daraus folgt, daß es nach dem gegenwärtigen Stand der Technik kaum möglich ist, eine gewisse Ladungsauffangleistung
zu überschreiten.
Zu ihrer Verbesserung ist in den Einrichtungen nach der Erfindung dem Halbleiterkörper ein Elektrolyt
zugeordnet, beispielsweise eine wässerige Lösung von Kalimbichromat oder eine alkoholische Lösung,
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Tc
in die er eingetaucht ist.
Im folgenden wird lediglich der Ausdruck "Halbleiter " benutzt, um den Festkörper der Detektoren
nach der Erfindung zu bezeichnen, bei welchem es sich aber ebensogut um einen halbisolierenden
Körper handeln kann, der nur eine Variante davon ist.
Die Erfindung nutzt die Eigenschaft aus, daß diese Körper, wenn sie in einen flüssigen Elektrolyten
eingetaucht sind, eine Oberflächensperrschicht an der Grenzfläche mit der Flüssigkeit aufweisen.
Diese Sperrschicht, in der der Schottky-Effekt auftritt, richtet einen in der Elektrolyt-Festkörper-Grenzfläche
fließenden Wechselstrom gleich. Insbesondere wenn der Elektrolyt gegenüber einem nleitenden
Festkörper negativ vorgespannt wird, kommt es in dem Festkörper, ausgehend von seinen mit der
Flüssigkeit in Berührung befindlichen Flächen, zum Auftreten einer Raumladungszone, deren Ausdehnung
im übrigen, wie oben erwähnt, von der Reinheit des Festkörpers abhängig ist.
Durch dieses Eintauchen ist es möglich, wenn in dem Halbleiterkörper eine große Anzahl von Kerben oder
Einschnitten angebracht wird, die Berührungsoberfläche zwischen dem Festkörper und dem Elektrolyten
und infolgedessen das aktive Gesamtvolumen des Detektors wesentlich zu vergrößern. Durch Addition der
Signale von sämtlichen so in dem Halbleiterblock
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geschaffenen Volumenelementen ergibt sich eine wesentliche Vergrößerung des Signals, das einem
gegebenen einfallenden Impuls entspricht, unter den im folgenden dargelegten Bedingungen. Das
stellt einen Vorteil der Einrichtungen nach der Erfindung dar. Darüber hinaus ist, im Gegensatz
zu dem Fall des Standes der Technik, keine Oberflächensperrschicht auf dem Halbleiterkörper vorzusehen,
was die Herstellung des Detektors einfacher macht.
Schließlich ist es möglich, wie weiter unten ersichtlich werden wird, durch Beimischung eines
Szintillators zu dem Elektrolyten die Erfassungseigen schaften der Einrichtung nach der Erfindung noch
zu verbessern, insbesondere in dem Fall von Feststoffen, die für die einfallenden ionisierenden
Strahlungen schwach absorbierend sind, wie das bereits zitierte Silicium.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische
Darstellung einer Ausfuhrungsform
des Detektors nach der Erfindung,
Fig.2 eine schematische perspektivische
Darstellung eines Teils einer wei-
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teren Ausführungsform des Detektors nach der Erfindung, und
Bestandteile der Detektoren nach der Erfindung.
Fig.l zeigt als nicht als Einschränkung zu verstehendes Beispiel eine Ausführungsform eines Detektors nach
der Erfindung. Ein Halbleiterkörper 1, der in dem Beispiel aus einem η-leitenden Siliciumeinkristall besteht, welcher zinken 10 voneinander trennende Einschnitte 2 aufweist, ist in einen Elektrolyten 3 eingetaucht, dessen Zusammensetzung im folgenden aus- .
führlieh angegeben ist und der in einem Behälter 4 enthalten ist.Die Zinken des so gebildeten Kammes
sowie der Rücken 11 desselben tragen ohmsehe Kontaktte, die insgesamt durch einen die Bezugszahl 5 tragenden Punkt dargestellt sind.
An diese Rontakte ist ein Anodenanschluß angelötet, der in Fig. 1 die Bezugszahl 6 trägt. In den Elektrolyten 3 taucht eine Katode 7 ein, welches die zweite
Elektrode eines durch den Elektrolyten geschlossenen Stromkreises ist, die durch eine Gleichspannungsquelle 8 gespeist wird, welche über einen Widerstand
9 eine Spannung V liefert. Der den Elektrolyten enthaltende Behälter 4 ist so aufgebaut, daß wenigstens diejenige seiner Flächen, die der einfallenden
Röntgen-, Alpha-, Beta- oder Gammastrahlung ausge-
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-/- ■ 271031Q
AO
setzt ist, welche durch einen Pfeil dargestellt ist, für diese durchlässig ist. Der Anodenkontakt
ist auf seinem mit dem Elektrolyten in Berührung befindlichen Teil gegenüber letzterem durch einen
nicht dargestellten Überzug isoliert.
Das Ausgangssignal s, das einem Ionisierungsimpuls
entspricht, wird an dem Anodenanschluß 6 abgenommen.
Die Raumladungszonen 100, die in dem Halbleiter durch
die angelegte Spannung V erzeugt werden, erstrecken sich ab seinen mit dem Elektrolyten in Berührung
befindlichen Flächen bis in eine Tiefe, die, wie erwähnt, von seiner Reinheit abhängig ist, d.h.
von seinem Gehalt an freien Ladungsträgern, und die um so größer ist, je größer diese Reinheit ist.
12 Beispiels, das mit einem hohen Reinheitsgrad (10
freie Ladungsträger pro Kubikzentimeter) hergestellt
werden kann, ist diese Tiefe relativ groß und führt zu dicken Zinken, wobei jeder dieser Zinken, sowie
der Rücken des Kammes zwei solche Zonen aufweisen, die durch einen zentralen Zwischenraum voneinander
getrennt sind, dessen Mittelebene in Fig. 1 durch die gestrichelte Linie dargestellt ist. Die Dicke
der Zinken,d.h. ihre Abmessung senkrecht zu ihren großen Flächen und die Dicke des Rückens sind so
gewählt, daß der Zwischenraum den Minimalwert hat, der erforderlich ist, um diese beiden Zonen von-
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einander zu isolieren, so daß praktisch in der. gesamten Dicke des Halbleiterkörpers, soweit
er die Ionisationserscheinung unter der Einwirkung der einfallenden Strahlung betrifft, Raumladungsbedingungen herrschen. Für das Silicium des beschrie-
3 4 benen Beispiels mit der Reinheit von 10 bis 10
Ωcm und mit einer Vorspannung V von 20 V beträgt
diese Dicke 300 ,um. Die Dicke der Einschnitte 2, d.h.
ihre Abmessung parallel zu der vorgenannten Dicke beträgt 100 um.
Da Silicium im übrigen für die ionisierenden Strahlungen schwach absorbierend ist, ist in dem Elektrolyten 3, der aus einer Lösung aus einem Lösungsmittel, beispielsweise einem Äthyl- oder Methylalkohol
oder Chloräthylen, und aus einem gelösten Stoff, beispielsweise einem Amin oder einem Amid mit 5 bis 10
VoI--X besteht und einen spezifischen Leitwert von einigen 10 S aufweist, ein organischer Scintillator in flüssigen Zustand, wie beispielsweise
Anthracen, Naphtacen oder Triphenyl im Verhältnis von 20 bis 50 Vol.-X gelöst. Unter der Einwirkung
der ionisierenden Strahlungen emittieren diese Stoffe Licht in dem Spektrum von 350 bis 430 nm,
das, zum überwiegenden Teil durch den lichtempfindlichen Halbleiter 1 absorbiert, die Ionisierung
desselben bewirkt, und zwar ungeachtet seines Emission swinkels.
Fig. 2 entspricht einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welchem der benutzte Halbleiter
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Galliumarsenia ist, dessen Absorptionsvermögen
gegenüber diesen ionisierenden Strahlungen sehr wesentlich größer ist als das des Siliciuras des
vorangehenden Beispiels, aber bei welchem der im gegenwärtigen Stand der Technik realisierbare
maximale Reinheitsgrad geringer ist.
Das Material hat eine Dichte an freien Ladungs-
14 17
trägern von 10 bis 10 pro Kubikzentimeter.
trägern von 10 bis 10 pro Kubikzentimeter.
Die Raumladungszonen weisen in diesem Fall eine geringere Tiefe als in dem vorangehenden Beispiel
auf, weshalb Zinken mit einer Dicke gewählt werden, die etwa dreißig Mikrometer nicht überschreitet.
Fig. 2 zeigt die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1, mit Ausnahme des Behälters
und des Elektrolyten.
Schließlich zeigt Fig. 3 in Draufsicht einen weiteren Schnitt durch den Halbleiter 1 der Detektroeinrichtungen
nach der Erfindung, bei denen der Kalbleiter als MSandergeschnitten ist. Die Bezugszahl 20 bezeichnet
eine der Reihen von Einschnitten, die in dem Halbleiter 1 gebildet sind, während die Bezugszahl
21 die andere Reihe bezeichnet.
Der Halbleiter ist, wie in den vorangehenden Beispielen, in einen Elektrolyten eingetaucht, diesesmal
aber so, daß der Elektrolyt in zwei Teile 30 und 31 geteilt ist, die untereinander keine Verbindung
haben. Zu diesem Zweck ist der Halbleiter
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ti
an vier Flächen des Behälters aus Isolierstoff dicht angebracht, und zwar in dem Fall von Fig. 3
an der unteren und an der oberen Fläche sowie an der linken und an der rechten Fläche (letztere ist
nicht dargestellt).
Diese Anordnung hat den Vorteil, eine Berührungsfläche zwischen Feststoff und Elektrolyt aufzuweisen,
die, wie in dem Fall dieser Beispiele, vergrößert ist. Darüberhinaus bilden der Mäanderkörper
und die beiden Elektrolyten eine Einrichtung mit drei Elektroden, die im Rahmen der Erfindung
gemäß dem in Fig. 3 angegebenen Schaltbild wie ein Verstärker benutzt werden kann. Der Halbleiterkörper
1 bildet die Basis eines Transistors, dessen Basis aus dem Teil 30 des elektrolytischen
Bades und dessen Kollektor aus dem Teil 31 besteht. Die Schaltung hat den in Fig. 3 schematisch
dargestellten Aufbau, wobei die Bezugszahlen 70 und 71 zwei in den Elektrolyten eintauchende
Elektroden, 90 einen Widerstand und 80 die Spannungsquelle V. des Kollektorkreises darstellen.
Das Signal s wird an dem Elektrodenanschluß 71 abgenommen.
Allgemein ergeben sich für die Detektoren nach der Erfindung die gleichen Verwendungszwecke wie für
die bekannten Detektoren. Wie letztere werden sie im nuklearen Bereich verwendet, insbesondere für
die Erfassung von elektromagnetischen Strahlungen
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und von Elektronen mit hoher Energie. Dank der Vergrößerung des einem gegebenen Ionisierungsimpuls
entsprechenden Signals gestatten sie die Erfassung von einfallenden Strahlungen mit schwächeren
Werten als die bekannten Einrichtungen und insbesondere eine feinere Spektrographie dieser
Strahlungen.
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Claims (11)
1.) Halbleiterdetektor für ionisierende Strahlung, mit einem Halbleiterkörper, der auf gewissen Flächen
Oberflächensperrschichten und Einrichtungen aufweist, um ab diesen Flächen Feldzonen zu erzeugen,
in welchen im Betrieb ein elektrisches Feld herrscht, wobei der Detektor außerdem Einrichtungen
aufweist, um in den Feldzonen die Bewegung der freien Ladungen zu ermitteln, die in
dem Halbleiter durch die einfallende ionisierende Strahlung erzeugt werden, d.h. das der einfallenden
Strahlung entsprechende Signal, und wobei in dem Detektor die Oberflächensperrschichten die an der
Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und einem elektrolytischen Bad, mit dem er in Berührung ist,
erzeugten Sperrschichten sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einem Block besteht,
der mit Einschnitten versehen ist, welche durch das elektrolytische Bad umspülte Zinken voneinander
trennen.
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrolytische Bad einen Szintilla-
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tor in Lösung enthält, der die einfallende ionisierende Strahlung in eine Lichtstrahlung umwandelt,
die durch den Halbleiterkörper absorbiert
wird und in demselben die Ionisation erzeugt.
wird und in demselben die Ionisation erzeugt.
3. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrolytische Bad aus einer wässerigen
Lösung von Kaliumbichromat besteht.
4. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Silicium besteht.
dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Silicium besteht.
5. Detektor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Szintillator aus
Naphtacen besteht.
Naphtacen besteht.
6. Detektor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper
in Form eines Kammes ausgebildet ist.
8. Detektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kamm vollständig in das elektrolytische
Bad eingetaucht ist.
9. Detektor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper in
Form eines Mäanders ausgebildet ist und das elektrolytische Bad in zwei Teile trennt, die keine Ver-
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bindung miteinander haben.
10. Detektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einem
η-leitenden Halbleiter besteht und daß die Einrichtungen zum Erzeugen der Feldzonen aus
einem Kontakt, der auf den Halbleiterkörper aufgebracht und über einen Widerstand mit dem Pluspol
einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, und aus einer Elektrode bestehen, die in das
eletrolytische Bad eintaucht und mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle verbunden ist, wobei
das Signal an dem Kontakt entnommen wird.
11. Detektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Erzeugen der Feldzonen
aus einer ersten Elektrode, die mit dem Minuspol einer Gleichspannungsquelle verbunden ist und
in einen der Teile des elektrolytischen Bades eintaucht, und aus einer zweiten Elektrode bestehen,
die in den anderen der Teile eintaucht, der über einen Widerstand mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle
verbunden ist, wobei das Signal an der zweiten Elektrode entnommen wird.
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| DE19772710310 Withdrawn DE2710310A1 (de) | 1976-03-09 | 1977-03-09 | Halbleiterdetektor fuer ionisierende strahlung |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
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Families Citing this family (2)
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|---|---|---|---|---|
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Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 1977-03-09 DE DE19772710310 patent/DE2710310A1/de not_active Withdrawn
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| GB1558911A (en) | 1980-01-09 |
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Legal Events
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Ipc: H01G 9/20 |
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