2008ѝ18thѝInt.ѝCrimeanѝConferenceѝ“Microwaveѝ&ѝTelecommunicationѝTechnology”ѝ(CriMiCo’2008).ѝ8-12ѝSeptember,ѝSevastopol,ѝCrimea,ѝUkraineѝ©ѝ2008:ѝCriMiCo’2008ѝOrganizingѝCommittee;ѝCrSTC.ѝISBN:ѝ978-966-335-166-7.ѝIEEEѝCatalogѝNumber:ѝCFP08788ѝ114ѝ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ С СВЧ СМЕЩЕНИЕМ

Гордиенко Ю. Е., Бородин Б. Г.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники пр. Ленина 14, Харьков, 61009, Украина

тел.: +38 (057) 7021362, e-mail: mepu@kture.kharkov.ua

Аннотация – В докладе проанализированы основные ограничения характеристик существующих полупроводни-ковых детекторов ионизирующего излучения. Показана целесообразность разработки и исследования таких детек-торов с использованием сверхвысокочастотного смещения. Приведен теоретический анализ образования сигналов в таких детекторах и оценены факторы, ограничивающие чувствительность и энергетическую разрешающую способ-ность. Рассмотрены несколько вариантов построения полу-проводниковых детекторов ионизирующих излучений, отли-чающихся резонаторной структурой СВЧ смещения и схе-мой формирования сигнала.

I. Введение Полупроводниковые детекторы ионизирующего

излучения (ПДИИ) в настоящее время широко ис-пользуются для дозиметрии и спектрометрии раз-личных радиационных источников. При этом сущест-вует проблема повышения энергетической разре-шающей способности, воспроизводимости и ста-бильности параметров. Решение этих задач в значи-тельной мере определяется усовершенствованием технологии используемых полупроводниковых мате-риалов для таких детекторов.

Основными факторами, ограничивающими харак-теристики ПДИИ, являются следующие: неполный сбор фотогенерированных носителей из-за сложно-стей одновременного удовлетворения условиям ма-лости темнового тока; превышение времени жизни фотоносителей над временем пролета (сбора); су-ществование центров захвата фотоносителей в объ-еме, внутренних и контактных барьеров.

Имеющийся опыт создания инфракрасных полу-проводниковых детекторов с СВЧ смещением [1,2] позволяет предположить целесообразность разра-ботки и исследования СВЧ ПДИИ. В этом также убе-ждают результаты работ, проводимых в Вирджин-ском университете (Virginia Commonweals University, Richmond, Virginia, USA) [3, 4].

ll. Основная часть В докладе проведен сравнительный анализ прин-

ципов функционирования ПДИИ со смещением по-стоянным напряжением и СВЧ питанием. Показано, что при СВЧ питании сбор фотоносителей не зависит от геометрии рабочего объема полупроводникового детектора и времени жизни фотоносителей. Величи-на сигнала СВЧ ПДИИ при резонаторном варианте СВЧ питания в общем виде определяется соотноше-нием

( )( ) ( ) ( )

( )

2q n t;r; ;z E r, ,z rdrd dzn p фVпU t Uф 0 2P tg E r, ,z rdrd dzст 0 п 0 п

Vп

μ +μ Δ ϕ ϕ ϕ∫

Δ =+ω ε ε δ ϕ ϕ∫

(1)

где U0 - напряжение, определяемое мощностью

задающего СВЧ генератора и параметрами СВЧ де-тектора (значения его находится в диапазоне 0,5…1,0 В); ( )n t;r; ;zфΔ ϕ - распределение концен-

трации фотогенерированных ионизирующим излуче-нием носителей в момент времени t , локализован-ное в объеме действия кванта излучения при его торможении в полупроводником образце объема Vп ; ( )E r, ,zϕ - нормированное распределение на-пряженности электрического поля питающего СВЧ резонатора в объеме полупроводника; , tgп пε δ - диэлектрические параметры рабочего полупровод-никового материала на рабочей частоте 0ω ;

,p nμ μ - подвижность фотоносителей; q - заряд

электрона; Pст - нормированная к запасаемой энер-гии мощность СВЧ потерь в стенках питающего ре-зонатора.

Фактически интеграл в числителе определяет мощность СВЧ потерь на дрейфующих в СВЧ поле фотоносителях, а интеграл в знаменателе опреде-ляет мощность СВЧ потерь в полупроводнике в це-лом.

В оптимизированном пределе

( ) ( ) ( )VтрU t U q К h tф 0 n p тр фVобр

Δ = μ +μ Δ (2)

где Vп - объем трека фотогенерации носителей

квантом ионизирующего излучения; Kтр ≈1 - без-

размерный коэффициент, определяемый отношени-ем СВЧ поля в треке к среднему значению поля в полупроводнике.

СВЧ часть формирования сигнала представлена на рис.1 и может дополниться другими СВЧ устрой-ствами, обеспечивающими минимизацию шума на выходе СВЧ детекторов. Последетекторная обработ-ка сигнала может осуществляться по тем же алго-ритмам, что и в обычном ПДИИ с питанием постоян-ным напряжением [5].

mV

ГСВЧ ϕ

Рис. 1. Схема СВЧ детектора излучений.

Fig.1. Microwave-based radiation detector Представлен анализ пороговой чувствительности

СВЧ ПДИИ. Показано, что эта характеристика не столь жестко связана с параметрами детектирующе-

2008ѝ18thѝInt.ѝCrimeanѝConferenceѝ“Microwaveѝ&ѝTelecommunicationѝTechnology”ѝ(CriMiCo’2008).ѝ8-12ѝSeptember,ѝSevastopol,ѝCrimea,ѝUkraineѝ©ѝ2008:ѝCriMiCo’2008ѝOrganizingѝCommittee;ѝCrSTC.ѝISBN:ѝ978-966-335-166-7.ѝIEEEѝCatalogѝNumber:ѝCFP08788ѝ 115ѝ

го полупроводникового объема, как в обычном ПДИИ. В частности, необходимая по энергетике квантов толщина полупроводника не влияет на тре-бование по высокоомности материала и времени жизни носителей. Параметры схемы последетектор-ной обработки сигнала не связаны с параметрами рабочего объема и др. В целом, это существенно ослабляет требования к технологии материала, вплоть до возможности использования поликристал-лического полупроводника.

В отличие от выводов работ [3, 4], в докладе по-казано, что чувствительность СВЧ ПДИИ ограничи-

вается величиной СВЧ потерь ( tg пδ ) в рабочем ма-

териале, а повышение добротности резонатора не-обходимо до выполнения условия Pст меньше вто-рого слагаемого в знаменателе (1). Поэтому СВЧ ПДИИ целесообразно создавать на основе резона-торов с малыми потерями в стенках и на излучение. В спектроскопическом применении СВЧ ПДИИ сле-дует обратить внимание на однородность распреде-ления значений Kтр по сечению полупроводниково-

го образца, воспринимающего регистрируемое излу-чения. Приводится распределение Kтр по сечению

дискового образца в некоторых наиболее перспек-тивных питающих СВЧ резонаторах. Приводятся ре-зультаты испытаний СВЧ ПДИИ на ИК аналоге, по-зволяющие количественно оценить пороговую чувст-вительность в заданном спектральном диапазоне энергий ионизирующего излучения.

III. Заключение В докладе обоснована возможность создания вы-

сокочувствительных полупроводниковых детекторов ионизирующего излучения с СВЧ смещением, не уступающих по основным характеристикам традици-онные детекторы на постоянном токе, а также из-вестные радиационные СВЧ детекторы. Рассмотре-ны различные варианты СВЧ резонаторов, в элек-тромагнитное поле которых включается чувстви-тельный полупроводник. Проведены их численное моделирование и оптимизация. Рассмотрены раз-личные схемы выделения полезного сигнала, в том числе в накопительном и спектрометрическом режи-мах. Приведены результаты экспериментальных ис-следований.

IV. Список литературы [1] А. Рогальский. ИК детекторы. Пер. с англ.. под ред..

А. В. Войцеховского. Новосибирск: Наука, 2003. 487 с.[2] Гордиенко Ю. Е., Свидерская Л. И. Определение ха-

рактеристик фоторезисторного приемника излучения с СВЧ смещением. — В сб.: Радиотехника, 1976, вып.. 37, с. 88—93.

[3] Gary Tepper, Jon Losee. A contactless, microwave-based radiation detector. Nuclear Instruments and Methods, 2001, A, 458, p. 472-477.

[4] Gary Tepper, Jon Losee. Detection of single photon ioni-zation events using a contactless microwave technique.. Rev. Sci. Instrum. 68 (1), 1997. Pp. 55-57.

[4] Корбутяк Д. В., Мельничук С. В., Корбут Є. В., Бори-сик М. М. Телурид кадмію: домішково-дефектні стани та детекторні властивості. – К.: Іван Франко, 2000. – 198 с.

MICROWAVE-BASED SEMICONDUCTOR IONIZING RADIATION DETECTORS

Gordienko Y. E., Borodin B. G.

Kharkiv National University of Radioelectronics Lenin avenue 14, Kharkiv, 61009, Ukraine

Ph.: +38(057)7021362, e-mail: mepu@kture.kharkov.ua Abstract – In this paper basic restrictions of the existing

semiconductor radiation detectors are analyzed. It is shown practicability of the radiation semiconductor detector using mi-crowave technology development. Theoretical analysis of signal generation in such detectors is resulted and the factors limiting sensitivity and power resolution are estimated. Presented in this paper are some variants of ionizing radiation semiconductor detectors design, which are different by resonator structure of the microwave feed and signal generation circuit.

I. Introduction Presently semiconductor detectors of ionizing radiations are

widely used for dosimetry and spectrometry of different radia-tion sources. Herewith exists the problem of energetic resolu-tion, repeatability and increasing of parameters stability. The problem can be decided at the expense of semiconductor tech-nologies improvement.

The main restrictions are as follows: incomplete photo-generated carrier collection; excess of photo carriers’ lifetime on time of the stairwell (collection); existence of photo carriers’ seizure centers in volume, internal and contact barriers.

The available experience of the infrared semiconductor de-tector with microwave offset development allows expecting prac-ticability of the radiation semiconductor detector using microwave technology (microwave SDIR) development and studies.

ll. Main Part Presented in this paper is comparative analysis of SDIR

operation principles with displacement by direct voltage and the microwave feed. It is shown, that at microwave feeding photo-carriers collection doesn’t depend on geometry of work volume of semiconductor detector and photocarriers lifetime. Amplitude of microwave SDIR signal at resonator variant of the microwave feed is defined by:

( )( ) ( ) ( )

( )

2q h t;r; ;z E r, ,z rdrd dzn p фVпU t Uф 0 2P tg E r, ,z rdrd dzст 0 п 0 п

Vп

μ +μ Δ ϕ ϕ ϕ∫Δ =

+ω ε ε δ ϕ ϕ∫

.

Here the numerator integral determines microwave losses power on the drifted photocarriers; the denominator integral determines full losses in semiconductor volume.

Analysis of microwave SDIR threshold sensitivity is pre-sented. It is shown, that this characteristic is not so rigidly cou-pled with the detecting semiconductor volume parameters, as in usual SDIR. In particular, semiconductor thickness does not influence the requirement on material high-resistivity and carri-ers lifetime. Parameters of the post-detector signal processing are not associated with working volume parameters, etc. As a whole, it essentially weakens material technology requirements, down to an opportunity of using polycrystalline semiconductor.

III. Conclusion Presented in this paper are analytical relations suitable for

microwave SDIR modelling and optimization. Results of ex-perimental studies of optical radiation detection and radiation source testing are described. Original microwave SDIR variant of the spectrometric purpose, which doesn’t require multi-channel pulse selection systems, has been considered. Differ-ent variants of microwave resonators whose electromagnetic field joins the sensitive semiconductor are considered. Their numerical simulation and optimization have been carried out. Results of experimental researches are shown.