автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование нестационарных процессов в p-i-n CdTe детекторах рентгеновского и гамма излучения

На правах рукописи

Ильвес Андрей Геннадьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ В Р-1-1Ч СБТЕ ДЕТЕКТОРАХ РЕНТГЕНОВСКОГО И ГАММА ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность: 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные

компоненты, микрй- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2005

Работа выполнена в Петербургском институте ядерной физики им. Б.ПКонстантинова РАН

Научный руководитель -

кандидат физико-математических наук Хусаинов А.Х.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Саморуков Б.Е. кандидат технических наук, доцент Чеснокова Д.Б.

Ведущая организация - ОАО НЛП "Буревестник"

Защита диссертации состоится « И » Л 2005 г. в час. на

заседании диссертационного совета Д 212^38.04 в Санкт-Петербургском электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «22 »/¿^¿^¿¡Км 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Мошников В.А.

гооб-ч

226М2.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Созданные в последнее десятилетие полупроводниковые детекторы рентгеновского и гамма излучения на основе СсГГе, СсйпТе, ОаАэ позволили решить широкий ряд практических задач создания приборов экспресс анализа состава материалов. Детекторы на основе вышеупомянутых полупроводников работают при комнатной температуре, что существенно упрощает конструкцию регистрирующих элементов аналитических приборов по сравнению с приборами, созданными на основе ве и Б!, которые громоздки из-за использования охлаждения жидким азотом. На базе не-охлаждаемых детекторов был создан ряд перспективных приборов, которые нашли применение в металлургии, в решении задач таможенного контроля и задач контроля ядерных материалов, а также созданы матричные детекторы для изготовления медицинских приборов и приборов для исследования космического пространства.

Однако детекторы на основе широкозонных полупроводников имеют некоторые недостатки - недостаточно высокую разрешающую способность и малую эффективность регистрации по сравнению с йе и в! детекторами. Для решения этих задач необходимо было разработать технологию производства детектирующих структур, обеспечивающих необходимые требования более эффективного собирания наведенного гамма и рентгеновским излучением заряда.

Целью работы являлось создание детектирующих структур на основе монокристаллов С«1Те и исследование их параметров для обеспечения высоких эксплуатационных характеристик детекторов: энергетического разрешения, сравнимого с ве детекторами (1.5 кэВ для энергии 662 кэВ), эффективности регистрации гамма излучения с энергией от 20 до 1400 кэВ, временной стабильности (при времени непрерывной работы 8 часов).

Задачи диссертационной работы:

• оптимизация технологии изготовления р-ьп СсГГе детекторов;

• исследование спектрометрических характеристик р-Л-п детекторов и основных факторов, влияющих на спектрометрические характеристики:

- экспериментальные исследования;

- моделирование по методу Монте-Карло;

• исследование распределения электрического поля в р-1-п структурах, изготовленных из высокоомных (полуизолирующих) кристаллов СёТе, включая:

- экспериментальное определение пространственного распределения поля и его динамики после подачи на структуры электрического смешения;

' - числённое моделирование распределения поля при различных граничных условиях,'' ' , • изучение воздействия перестройки электрического поля на спектромет-_ рические характеристики структур:

- численный расчет амплитудных спектров по измеренным профилям электр ическогополя;

-), г- ., - сравнение расчетных данных с экспериментально измеренными.

,, Научная новизна представленных в диссертационной работе результатов состоит в следующем:

- Проведено экспериментальное и численное исследование распределения электрического поля в р-^п структурах из высокоомного Сс1Те с различными условиями на контактах, включающее определение динамики и . степени локализации деформирования поля.

- Данр объяснение эффекту временной нестабильности («поляризации») детекторов изготовленных из полупроводниковых кристаллов СсГГе, СсйпТе. "

- Разработана программа расчета по методу Монте-Карло амплитудных спектров детекторов рч-п структуры, учитывающая распределение электрического поля и транспортных характеристик в объеме исследуемых детекторов и предоставляющая возможность прогнозирования предельных характеристик детекторов (энергетическое разрешение, эффективность регистрации, временная стабильность) детекторов из широкозонных полупроводников.

Практическое значение работы заключается в создании детекторов гамма и рентгеновского излучения и их внедрении в практику разработки портативных спектрометрических приборов и портативных рентгенофлюорес-центных анализаторов. Данные приборы по ряду параметров превосходят известные аналоги и имеют более широкий спектр функциональных возможностей. Разработаны рч-п С<!Те детекторы гамма и рентгеновского излучения с энергетическим разрешением близким к детекторам из ве и 81. Детекторы объемом 200 мм имеют разрешение по линии 662 кэВ равное 2.6юВ, а по линии 122 кэВ равное 1.3юВ, что сравнимо с кремниевыми и германиевыми детекторами, у которых разрешение по линии 662 кэВ составляет 1.0-1.3 кэВ, а по линии 122 кэВ разрешение 0.4-0.6 кэВ.

Результаты работы использованы при выполнении:

\

- технического контракта МАГАТЕ #9984/RFB;

- контракта с Radiant Detector Technology LLC: "Разработка и применение улучшенной электроники и технологии приборов для: Спектрометрической системы с Пельтье охлажденным CdTe детектором ("Polaris") от 25.10.2001 и дополнений к нему от 2001-2004 гг.;

Имеются акты об использовании результатов диссертационной работы Ильвеса А.Г. в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН и в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина).

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Причиной временной нестабильности характеристик CdTe p-i-n детекторов является изменение распределения напряженности электрического поля в ¡-области p-i-n структуры из-за образования отрицательного объемного заряда и нарушения компенсации i-области при перезарядке глубоких центров.

2. Моделирование амплитудных спектров детекторов p-i-n структуры по методу Монте-Карло с учетом распределения электрического поля и транспортных характеристик в объеме детекторов является эффективным методом прогнозирования достижимых характеристик (энергетическое разрешение, эффективность регистрации, временная стабильность) детекторов.

Апробация работы. Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на международных конференциях: The International Workshop on Room Temperature Semiconductor Detectors for Remote, Portable and In-Situ Radiation Measurements Systems July 26-29, 1998, Jerusalem, Israel, 1 Ith International Workshop on Room Temperature Semiconductors and Associated Electronics October 11-15,1999, Vienna, Austria

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, из них - 3 статьи, тезисы к 2-м докладам на международных научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, списка литературы, включающего 105 наименований, трех приложений. Основная часть работы изложена на 158 страницах машинописного текста. Работа содержит 42 рисунка и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Йд введении обосновывается актуальность выбранной темы исследований, фбрмулйруются цели работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой глйве рассмотрены процессы, протекающие в полупроводниковом детекторе при поглощении в нем гамма квантов и альфа частиц с энергией от единиц кэВ до сотен МэВ. Описаны процессы сбора индуцированного заряда'в детекторе и флуктуаций этого заряда, определяющих энергетическое разрешение. Описаны основные источники шумов в детекторе и спектрометрическом тракте. Рассматриваются литературные данные по относительному вкладу шумов в энергетическое разрешение детекторов в широком диапазоне энергии гамма излучения.

Приводится обзор литературных данных по изучению процессов сбора заряда и поляризйцИи в детекторах из высокоомного CdTe.

Во второй главе представлены основные теоретические сведения по распространению света в электрооптических кристаллах. Описана экспериментальная установка и методика для исследования распределения напряженности электрического поля в объеме электрооптических кристаллов, в основе которой лежит измерение пространственного распределения величины поперечного электрооптического эффекта. В процессе измерений размещенный между скрещенными поляризаторами образец зондируется узким световым пучком, полученным с помощью полупроводникового лазера (диаметр пучка <100 мкм, длина волны излучения Я = 1.3 мкм, что совпадает с инфракрасным окном пропускания CdTe). Зондирующий свет направляется на боковую грань кристалла й перемещается от одного электрода к другому с заданным шагом. Для каждого из его положений измеряются временные зависимости выходной интенсивности зондирующего света, по которым реконструируется распределение напряжённости электрического поля между электродами структуры. Пространственное разрешение составляет не менее 100 мкм.

Распределение напряженности электрических полей изучалось на различных типах структур. Структуры изготавливались из высокоомного CdTe, выращенного фирмой Acrotec методом ТНМ (движущаяся зона раствора-расплава) с кбмпенсацией хлором. Удельное сопротивление монокристаллов CdTe рв 109 Ом см, время жизни носителей не меньше 10"6 с, произведение подвижности на время жизни цехе - (1.5 - 2.4) • 10"3 см2/В, fxhTh = (1.0 -1.4) • 10"4 см2/В. Из исходного кристалла вырезались прямоугольные параллелепипеды, которые затем шлифовались и полировались или подвергались травлению. Характерные размеры детекторов: толщина 1-3 мм, длина и ширина 2-10 мм. Контакты на полученные кристаллы формировались в плоскости (111) электрохимическим осаждением золота из золотохлористоводородной кислоты. Для изготовления структур p-i-n типа использовалась диффузия индия.

ч

Далее приводятся результаты экспериментального и численного исследования распределения напряженности электрического поля в МПМ и р-1-п структурах. В математическом отношении задача определения распределения напряженности электрического поля описывается стандартной системой уравнений переноса и уравнения Пуассона. Процессы перезарядки глубоких примесей и объемная рекомбинация подчиняются статистике Шокли-Рида-Холла. Граничные условия поставлены в термоэмисионно-диффузионном приближении. Полученная система уравнений решалась методом конечных элементов на неравномерной сетке сгущенной около контактов металл-полупроводник и около ¡-п перехода. Нелинейность преодолевалась методом Ньютона с демпфированием. Для улучшения сходимости все переменные нормировались.

В описанных р-ьп структурах измерялось распределение Е(х) между электродами детектора в широком диапазоне температур и напряжений смещения. Кинетика установления стационарного распределения поля исследовалась во временном диапазоне от единиц секунд до нескольких суток. При измерениях исследуемые структуры тщательно закрывались от внешнего светового воздействия.

Во всех исследуемых структурах наблюдалось качественно одинаковое распределение поля (рис.1). Сразу после подачи напряжения на образец поле распределено по толщине практически равномерно с небольшим увеличением в области ¡-п перехода. Затем напряженность поля увеличивается в области перехода и уменьшается около отрицательного контакта. В зависимости от приложенного напряжения, температуры, времени и толщины образца может наблюдаться понижение поля до нуля у отрицательного контакта и образования нейтральной области. Концентрация отрицательного объемного заряда в 1 области и положительного объемного заряда в п области определялась из распределения поля с помощью уравнения Пуассона в предположении отсутствия свободных носителей. Максимальная концентрация объемного заряда, определенная с помощью уравнения Пуассона, равна 6.3-10,г см"3 (уравнение Пуассона при пренебрежении объемным зарядом свободных носителей можно за-

глубоких центров, отсюда получаем Мас1х =---аь).

Ч

Зависимость концентрации ионизированных центров от времени хорошо описывается выражением вида

писать в виде ■

Величина характеристического времени г определяется глубиной центра, температурой, концентрацией носителей, сечениями захвата, которые сами могут зависеть от температуры.

Для данных долговременных измерений было оценено положение лову-шечного уровня Еа £ Еу +0.7эВ. С целью подтверждения определенной энер^ гии активации глубоких ловушек было исследовано влияние облучения детекторов светом с разной длиной волны на процессы поляризации. В качестве источника света исйользовалась галогеновая лампа накаливания, из сплошного сйййра^сотор>6Й'вырезалась полоса излучения с помощью оптических фильтров. Максимальная плотность потока излучения падающего на детектор достигала 1015 /см2. При освещении светом с 0.7 эВ < < 1.4 эВ скорость поляризации возрастала в два раза по сравнению с темновым случаем, что объясняется забросом электронов из зоны проводимости на глубокие центры. Если энергия света была меньше 0.7 эВ, то скорость поляризации не менялась. Это доказывает, что энергйя ионизации примесных центров, ответственных за поляризацию, лежит около 0.7 эВ.

По результатам многочисленных работ, посвященных исследованиям ло-вушечных уровней в теллуриде кадмия, единственным глубоким акцептором, имеющим энергию ионизации 0.7 эВ, является двукратно заряженная вакансия кадмия. Вакансия кадмия это внутренний дефект теллурида кадмия, присутствующий во всех доступных сейчас кристаллах. Высокоомный Сс1Те получают с помощью компенсации вакансий кадмия хлором, при этом некоторая доля дефектов остаемся нескомпенсированной. В равновесии уровень глубоких акцепторов в высокоомном р-Сс1Те лежит выше уровня Ферми в ¡-области на несколько кТ, поэтому акцепторный уровень полностью заполнен дырками. При подаче напряжения смещения на р-Й1 структуру происходит нарушение равновесия и захват электронов из валентной зоны на глубокий уровня, при этом образуется отрицательный объемный заряд в ¡-области, который экранирует внешнее поле. Степень этого экранирования зависит от температуры и концентрации глубоких уровней.

4000

3500

3000

2500 -

Я

£ 2000

1500 ;

1000 А

500 -0

2о

О 5 нин

---Ф--- 60 мин

— -д — 300 мин

Т=233К

А

Г Ъ

ОО

* 4

' /о

0,0

0,5

1,0

1,5 X, мм

£ ш

10000 •

8000 ■

6000

4000 -

2000

2с

О 5 мин

---Ф--- 80 мин

--Л — 300 мин

Т=293К

0 1 ^-а-а-О-р-^О^-^-О-О-»^^-»-»-»^^

0,0

0,5

1.0

1,5 X, мм

2,0

2,5

Рис.1. Распределение напряженности электрического поля в рЧ-п детекторе. Толщина детектора 3 мм, напряжение 500 В, температура и время после подачи напряжения приведены на рисунке.

Для обеспечения оптимального условия собирания носителей, генерируемых гамма квантами, в любой точке рабочего объема детектора желательно выполнение следующего условия

Етт>Е0=^, №

где Етт- минимальная напряженность поля в рабочем объеме детектора, Е0-значение напряженности поля, при которой наступает насыщение дрейфовой скорости носителей. Для С<1Те кристаллов это значение составляет около 15-20 кВ/см. Чтобы не происходило заметного ухудшения разрешения детекторов желательно, чтобы напряженность поля у контакта к р-области в процессе работы не опускалась ниже значения Е0. Следовательно, при напряжении смещения на детекторе V, концентрация глубоких акцепторных уровней, при которой выполняется это условие (в предположении равномерного распределения ионизированной примеси)

и ц

Таким образом, для изготовления абсолютно стабильных детекторов (т.е. без заметного ухудшения спектрометрических характеристик при неограниченном времени непрерывной работы) толщиной 2 мм при рабочем напряжении около 1500 В на мм толщины, необходимо использовать материал с содержанием глубоких акцепторов не больше, чем 10" см'3 . В лучшем доступном материале японской компании Асгогаё концентрация глубоких акцепторов составляла 10и-5*1012 см"3 в различных шайбах. Для детекторов из материала с наибольшей концентрацией глубоких центров достигнута стабильность работы (изменение энергетического разрешения не больше 10 процентов, изменение скорости счета не более 1 процента) в районе 4 часов, детектор из наиболее чистого материала непрерывно работали в течение месяцев без заметного ухудшения спектров.

Третья глава посвящена исследованию спектрометрических и эксплуатационных характеристик детекторов из Сс1Те на основе рч-п структур.

В начале главы приведено теоретическое описание и расчетные формулы для описания процессов поглощения ионизирующего излучения в полупроводниковом детекторе. На их основе разработана программа расчета амплитудных спектров Сс1Те детекторов методом Монте-Карло. При моделировании учитывались следующие физические процессы: поглощение гамма излучения в материале детектора; сбор заряда в детекторе, возникшего при поглощении ионизирующего излучения, с учетом приложенного напряжения и реального

\

распределения электрического поля в объеме; индуцирование заряда на электродах детектора вследствие движения генерированных носителей (формирование зарядовых импульсов). Поглощение ионизирующего излучения происходит за счет фотоэффекта, комптоновского рассеяния первичных фотонов излучения, образования пар электрон-позитрон. Особое внимание уделено поглощению вторичных электронов (учитывались тормозное излучение и неупругие столкновения). Наилучшее совпадение с экспериментальными результатами получено при потерях энергии электрона на одном шаге не превышающими двух процентов. Расчет поглощения гамма-квантов проводился в трехмерной геометрии, сбор индуцированного заряда в детекторе рассчитывался в одномерной геометрии, так как электрическое поле постоянно в плоскостях параллельных контактам, что существенно снижало вычислительную сложность задачи. На рис. 2 приведено сравнение экспериментального и рассчитанного спектра линии 662 кэВ, видно хорошее совпадение расчетного и экспериментального спектра: правильно определяются ширина линии пика полного поглощения на Уг и 1/10 высоты, отношение пик/комптон, положение края комптоновского поглощения по отношению к пику.

Энергия, кэВ

Рис.2. Спектр линии '"Сэ 662 кэВ, снятый на р-ьп детекторе (размеры детектора 2.0*10.0*10.0, напряжение 2400 В, температура -37°С) и рассчитанный по методу Монте-Карло при тех же рабочих параметрах и следующих характеристиках материала: /ие = 1300см2/В с, цн =130см2/В с, тг = ти = 10"*с.

С помощью подгонки расчетного спектра к экспериментальному, путем варьирования характеристик материала оцениваются транспортные характеристики материала, из которого изготовлен конкретный детектор. Эти характеристики различны в разных пластинах и даже в разных детекторах, изготовленных из одной пластины.

В процессе работы детекторов из широкозонных полупроводников в ряде случаев, происходит ухудшение спектрометрических характеристик. В детекторах из кристаллов СсПе в структурах с запорными контактами, также наблюдается этот эффект. Совпадение результатов расчетов амплитудных спектров с учетом реального распределения электрического поля с экспериментальными данными убеждает, что наблюдаемая временная деградация спектров Сс1Те:С1 детекторов обусловлена искажением электрического поля в объеме детекторов (приведено на рис.1) из-за образования отрицательного объемного заряда при ионизации глубоких акцепторов. По мере уменьшения напряженности электрического поля в чувствительной области детектора увеличиваются потери индуцированного излучением заряда электронно-дырочных пар. На спектре это проявляется увеличением ширины линий полного поглощения, их смещением в область низких энергий, уменьшением отношения пик/комптон. Для улучшения спектрометрических характеристик и временной стабильности р-1-п СсГГе детекторов необходимо повышать рабочее напряжение и понижать рабочую температуру.

Выбор рабочей температуры детектора ограничен несколькими факторами. При повышении температуры улучшаются условия сбора индуцированного заряда, что должно приводить к улучшению спектрометрических характеристик. Однако при этом растут токи, а, следовательно, шумы детектора, и ухудшается временная стабильность детекторов. При снижении температуры ниже -40°С улучшается временная стабильность детекторов (рис.3), но падает время жизни дырок (что связывают с захватом дырок на мелкие ловушки, соответствующие ионизированному комплексу вакансия кадмия-ионизированный донор) и на спектрах высоких энергий появляется сильно затянутый хвост пика полного поглощения.

Для улучшения энергетического разрешения высокоэнергетичного гамма излучения необходимо использовать коррекцию потерь заряда. Используемая коррекция потерь заряда основана на предположении экспоненциальных потерь заряда во время их дрейфа. Т.е. электронный и дырочный ток снижается экспоненциально во времени вследствие захвата носителей на ловушки. В таком случае потери заряда происходят при постоянной скорости электронов и дырок цЕ, когда носители генерируются гамма излучением в 1 области. Результаты использования коррекции потерь заряда для детектора толщиной 2

и

мм,- разрешение по линии 662 кэВ составляет 2.63 кэВ FWHM (полная ширина пика полного поглощения на его полувысоте) и 6.38 кэВ Р^ГМ (полная ширина пика полного поглощения на одной десятой высоты). Такие детекторы позволяют проводить количественный изотопный анализ радиоактивных материалов с точностью до единиц процентов, используя без изменений программное обеспечение, разработанное для германиевых детекторов.

30

3 25

8 л о

2 20

5 X

(б X 5 О.

3 10

5

0 100 200 300 400

Время, мин

Рис.3. Зависимость ширины линии 137Св 662 кэВ на полувысоте от времени при различной температуре для рм-п детектора толщиной 2 мм и площадью 10*10 мм2, напряжение 2000 В.

На основании статистической обработки результатов измерений детекторов со средними размерами 2x10x10 мм3 из нескольких пластин высококачественного Сс1Те, выращенного фирмой АспЛес, получены корреляционные зависимости спектрометрических характеристик йри использовании коррекции потерь заряда и без коррекции потерь заряда. Результаты (доверительная вероятность 0.95) для линии 662 кэВ:

Л^ввд=(2.53±0ЛЗ) + (0Ю8±0.03)ЛР2ШввиЯ1 РШМ, корр = (3.79 ± 1.26) + (0.16 ± О.ОЗЖЖТМ^ ^ '

коэффициент корреляции равен 0.7.

Моделирование спектров детекторов позволяет предсказывать спектрометрические характеристики, которые возможно достичь при использовании материала с известными свойствами. На основе таких предсказаний делаются выводы о возможности производства детекторов с заданными свойствами из имеющегося материала, и решается обратная задача - по техническим требованиям к детектору вырабатываются требования к исходному материалу, применение которого позволяет решить поставленную задачу. Учет коррекции потерь заряда с помощью имеющегося корректора проведен с использованием приведенных выше эмпирических формул.

Для увеличения эффективности регистрации гамма излучения необходимо увеличивать рабочий объем детекторов, что можно достичь увеличением толщины детектора или увеличением его площади. По мере увеличения толщины детектора происходит практически линейное увеличение эффективности регистрации гамма квантов, но также пропорционально увеличивается время пролета носителей, что ведет к увеличению потерь заряда и увеличению ширины линии на 1/10 высоты. Моделирование амплитудных спектров показывает, что энергетическое разрешение (РШНМ) при этом почти не меняется. При охлаждении до температур ниже -45°С такие детекторы будут демонстрировать стабильное разрешение в течение 8 часов. Для получения симметричной формы спектров гамма излучения высокой энергии необходима разработка корректора, учитывающего неоднородность распределения напряженности электрического поля в объеме детекторов, изготовленных из доступного материала. С другой стороны, улучшение характеристик материала, а именно увеличение времени жизни дырок до 3* 10"6 с позволит получать детекторы толщиной 5 мм с разрешением 4 кэВ на полувысоте и 35 кэВ на 1/10 высоты пиков полного поглощения линии 662 кэВ, что можно скорректировать до разрешений порядка 0.5% при сохранении симметричной формы спектра.

Таким образом, возможно создание р-ьп СёТе детекторов объемом до 15 см2 с разрешением около 1% по линии 662 кэВ. Чувствительность таких детекторов при регистрации гамма излучения с энергией до 1 МэВ (область фотопоглощения) эквивалентна чувствительности йе детекторов объемом 90 см3. Дйя гамма излучения более высоких энергий чувствительность С(1Те детекторов объемом 15 см3 детектора сравнима с чувствительностью ве детекторов 30 см3, которые находят в настоящее время широкое применение в различных областях науки и промышленности. Детекторы р-ьп структуры большого объема из СсГГе работающие при небольшом охлаждении предоставляют велико-

лепную альтернативу традиционно используемым детекторам из Ge и Nal в области регистрации гамма излучения высокой энергии в задачах ядерной безопасности, контроля и определения состава ядерных материалов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Определены оптимальные параметры p-i-n структур (толщина i области, рабочая температура, площадь) для получения пригодных для решения практических задач детекторов из доступного в настоящее время CdTe. Изготовлены p-i-n CdTe детекторы объемом 200-300 мм3 с лучшим для некриогенных систем разрешением <0.5% по линии 662 кэВ при симметричной форме пика полного поглощения.

2. Исследовано влияние характеристик p-i-n детекторов из теллурида кадмия на разрешающую способность и форму амплитудного распределения импульсов от гамма квантов. Показана определяющая роль неравномерного распределения напряженности электрического поля на эти характеристики детекторов.

3. Установлено, что ответственным за перераспределение напряженности поля в рабочем объеме детекторов является глубокий акцепторный уровень с энергией активации ~ 0.7 эВ. Концентрация глубоких акцепторов в исследованном материале, лежит в пределах 10" -10!3 см'3. Ионизация глубоких акцепторов в чувствительном объеме, происходящая в рабочем режиме детекторов, является основным фактором, ограничивающим рабочий объем и временную стабильность p-i-n CdTe детекторов,

4. Разработана программа расчета амплитудного спектра по методу Монте-Карло, учитывающая распределение напряженности электрического поля в чувствительном объеме детектора. Справедливость моделирования подтверждена хорошим совпадением экспериментальных и численных результатов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. R.D. Arlt High performance p-i-n CdTe and CdZnTe detectors (Высокоразрешающие p-i-n детекторы из CdTe и CdZnTe) / R.D. Arlt, A.K. Pustovoit, A.K. Khusainov, A.L. Dudin, V.F. Morozov, A.G. lives // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 428 (1999), 1 (июнь 01), p. 58-65.

2. Khusainov A.Kh. Influence of the electric field distribution in i-region on performance of CdTe p-i-n detectors (Влияние распределения напряженности

электрического поля в i области на характеристики p-i-n CdTe детекторов) / Khusainov A.Kh., Dudin A.L., lives A.G., Morozov V.F., Pustovojt A.K., Arlt R.D. // PNPI research report 1998-1999, Gatchina 2000, p. 229

3. Khusainov A.Kh. Energy resolution of large-area CdTe p-i-n detectors with charge loss correction (Энергетическое разрешение p-i-n CdTe детекторов большой площади при использовании коррекции потерь заряда) / К. Khusainov, Т.А. Antonova, V.V. Lysenko, R.K. Makhkamov, V.F. Morozov, A.G. lives, R.D. Arlt. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 458 (2001), 1-2 (февраль 01), p. 242-247

4. Arlt R.D. High performance p-i-n CdTe and CdZnTe detectors (Высокоразрешающие p-i-n детекторы из CdTe и CdZnTe) / R.D. Arlt, A.K. Pustovoit, A.K. Khusainov, A.L. Dudin, V.F. Morozov, A.G. lives. High performance p-i-n CdTe and CdZnTe detectors // Book of abstracts. Proceedings of the Detector Workshop held at XII- International Conference of Crystal Growth, Jerusalem, Israel, July 29-29 1998. - Jerusalem, 1998. - p. 95.

5. Khusainov A.Kh. Energy resolution of large-area CdTe p-i-n detectors with charge loss correction (Энергетическое разрешение p-i-n CdTe детекторов большой площади при использовании коррекции потерь заряда) / A.Kh. Khusainov, Т.А. Antonova, V.V. Lysenko, R.K. Makhkamov, V.F. Morozov, A.G. lives, R.D. Arlt // Book of abstracts. 11 International Workshop on Room Temperature Semiconductor X-Ray and Gamma-Ray Detectors and Associated Electronics, Vienna, Austria, October 11-15 1999. - Vienna, 1999. - p. 127.

{

Подписано в печать 18.11.2005. Формат 60x84/16 Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ЗАО «КопиСервис». Печать ризографическая. Заказ № 21811. П. л. 1.0. Уч.-изд. л. 1.0. Тираж 100 экз.

ЗЛО «КопиСервис» Адрес юр.: 194017, Санкт-Петербург, Скобелевский пр., д. 16. Адрес факт.: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 5. тел.:(812)327 5098

¡

I

«25 3 1 S

РНБ Русский фонд

2006^4 29526

Введение.

1. Полупроводниковые детекторы проникающего излучения.

1.1. Поглощение ионизирующего излучения в твердом теле.

1.1.1. Фотоэффект.

1.1.2. Комптоновское рассеяние.

1.1.3. Образование пары "электрон-позитрон".

1.2. Энергетическое разрешение детекторов.

1.2.1. Статистические флуктуации.

1.2.2. Флуктуации сбора заряда.

1.2.3. Шумы детектора.

1.2.4. Шумы спектрометрического тракта.

1.2.5. Энергетическое разрешение спектрометрической системы.

2. Исследование распределения напряженности электрического поля в полупроводниковых детектирующих структурах на основе CdTe.

2.1. "Поляризация" детекторов на основе CdTe.

2.2. Электрооптический эффект.

2.3. Экспериментальная установка и методика определения распределения напряженности электрического поля.

2.4. Технология изготовления образцов.

2.5. Математическая модель полупроводникового диода.

2.6. Детекторы на основе структуры металл-полупроводник-металл.

2.7. Детекторы на основе p-i-n структуры.

2.8. Кинетика поляризации p-i-n CdTe детекторов.

3. Исследование спектрометрических характеристик p-i-n CdTe детекторов.

3.1. Расчет амплитудных спектров p-i-n CdTe детекторов по методу Монте-Карло.

3.1.1. Поглощение излучения в материале детектора.

3.1.2. Фотоэлектрический эффект.

3.1.3. Комптоновское рассеяние.

3.1.4. Образование пары «электрон-позитрон».

3.1.5. Аннигиляция позитрона.

3.1.6. Потери энергии при движении электрона и позитрона.

3.1.7. Тормозное излучение.ИЗ

3.1.8. Статистические флуктуации заряда.

3.1.9. Генератор случайных чисел.

3.1.10. Сбор заряда в детекторе и формирование амплитудного спектра.

3.2. Моделирование амплитудных спектров p-i-n CdTe детекторов.

3.3. Влияние шумовой составляющей на энергетическое разрешение детекторов.

3.4. Влияние температуры на спектрометрические характеристики p-i-n CdTe детекторов.

3.5. Коррекция потерь заряда.

3.6. Влияние неоднородности материала на спектрометрические свойства p-i-n CdTe детекторов.

3.7. Прогнозирование спектрометрических и эксплуатационных параметров p-i-n CdTe детекторов.

3.8. Спектрометрическая система на основе p-i-n CdTe детектора.

Созданные в последнее десятилетие полупроводниковые детекторы на основе бинарных полупроводников (CdTe, CdZnTe, Hgl2, GaAs) позволили решить широкий ряд практических задач создания аналитических приборов экспресс анализа состава материалов. Детекторы из этих кристаллов работают при комнатной температуре, что существенно упрощает конструкцию регистрирующих элементов аналитических приборов по сравнению с приборами, созданными на основе Ge и Si, которые громоздки из-за использования охлаждения жидким азотом. На базе неохлаждаемых детекторов был создан ряд перспективных аналитических приборов, которые нашли применение в металлургии, в решении задач таможенного контроля и задач контроля ядерных материалов в МАГАТЕ. Детекторы на основе широкозонных полупроводников позволяют создавать и мозаичные детекторы, что играет существенную роль при разработке медицинских приборов и приборов для исследования космического пространства.

Начиная с 1960-х годов, были исследованы многочисленные полупроводники, такие как GaAs, CdTe, Hgb. Из них наибольшее внимание привлек к себе CdTe, как материал, предоставляющий возможность получения превосходного энергетического разрешения для компактных детекторных систем, работающих без охлаждения до температуры жидкого азота. CdTe обладает характеристиками, делающими его привлекательным для использования в исследовательских, индустриальных и медицинских приложениях. Это высокий атомный номер (Z=50) и высокая плотность, означающие высокую эффективность регистрации гамма излучения; оптимальная ширина запрещенной зоны (1.5 эВ), обеспечивающая низкий уровень токовых шумов; энергетическое разрешение намного лучшее, чем у сцинтилляционных детекторов, что дает возможность использования в приложениях, где требуется разрешение отдельных близко стоящих линий; возможность получения монокристаллов необходимого размера с достаточной чистотой и совершенством кристаллической решетки. Возможность использования теллурида кадмия, как материала для производства спектрометрических детекторов гамма излучения была показана в работах [1-6].

Лучшие результаты, достигнутые на детекторах структуры металлл полупроводник-металл (МПМ) толщиной 1 мм и площадью ~10 мм при комнатной температуре: FWHM 1.7 кэВ для линии 59.5 кэВ, FWHM 3.2 кэВ для линии 122 кэВ, FWHM 20 кэВ для линии 662 кэВ [7] (FWHM - полная ширина линии пика полного поглощения на половине высоты, FWTM - полная ширина линии пика полного поглощения на одной десятой высоты). Охлаждение детекторов с помощью компактных термобатарей Пельтье снижает темновые токи, а, следовательно, может улучшить разрешение [8]. Достигнуто энергетическое разрешение 10-15 кэВ для линии 662 кэВ при охлаждении до -30°С [9].

CdTe детекторы с МПМ структурой нашли широкое применение в различных областях науки и техники [7]. Применения в медицине даны в обзоpax [10-15]. Основная области использования - ядерная медицина, где пациенту вводится радиоактивный элемент (обычно 99тТс) и затем определяется биораспределение этого элемента в зависимости от времени, и на основании чего можно диагностировать заболевание (локализацию опухолей), определять плотность костей, проводить мониторинг функции почек, контролировать поток крови во время шунтирования коронарных артерий при лечении атеросклероза. Системы из многих детекторов применяют в томографии

14;15]. При этом значительно снижается доза излучения. Например, для скал нирования площади 30*30 см кремниевому детектору требовалось 40 с, а детектору из CdTe всего 4 с [11].

Спектрометрические системы на основе теллурида кадмия также находят применение в научных и промышленных областях, где требуются маленькие размеры, работоспособность при комнатной температуре, низкое энергопотребление и достаточно высокое энергетическое разрешение. С помощью CdTe детекторов оценивалась выработка топливных блоков ВВЭР 440 без их разборки по относительному уровню пиков урана и плутония [16;17] и степень обогащенности урана [18;19]. Аналогичные измерения проводятся и с помощью HPGe (high purity Ge — детекторы из сверхчистого германия) детекторов [20], но при этом необходимо охлаждение жидким азотом, что часто недостижимо особенно в полевых условиях.

Тем не менее, при регистрации гамма квантов с высокой энергией МПМ CdTe детекторы показали несколько существенных недостатков - малый объем чувствительной области, недостаточно высокое энергетическое разрешение из-за большой разности подвижности электронов и дырок в кристаллах CdTe. Вследствие неидентичности условий собирания заряда, образуемого в разных частях рабочего объема детектора, появляется несимметричность амплитудного распределения импульсов от моноэнергетических квантов, которая проявляется в искажении пика полного поглощения и образовании характерного хвоста амплитудного распределения в область меньших энергий. При полном собирании заряда фотопик должен быть симметричным. В детекторах из CdTe асимметрия обусловлена главным образом захватом дырок из-за их меньшей подвижности по сравнению с электронами.

Существует несколько возможных вариантов улучшения сбора дырок. Первый очевидный путь это уменьшение толщины детекторов, но при этом снижается и чувствительность детекторов. Другой подход состоит в увеличении напряженности электрического поля, при этом линейно возрастают обратные токи и, следовательно, шумы, что ограничивает величину приложенного напряжения и эффективность сбора заряда. Для средних значений пло

2 9 щади 1 см , толщины 1 мм и удельного сопротивления 10 Ом см, темновой ток МПМ детектора составит около 10~6А при напряжении 100 В. Токовые шумы определяют минимальное разрешение детектора на уровне 3 кэВ даже без учета флуктуаций сбора заряда. Максимальное рабочее напряжение для МПМ структур составляет около 300 В/мм.

Таким образом, используемые МПМ CdTe детекторы не обеспечивают требуемого энергетического разрешения и эффективности при регистрации высокоэнергетичного гамма излучения, что ограничивает их область применения. Поэтому было предложено использовать p-i-n структуру [21], которая предоставляет два преимущества: высокое рабочее напряжение детекторов и возможность изготовления детекторов с большим рабочим объемом.

Темновой ток в p-i-n структурах на 3-4 порядка меньше чем в МПМ структурах, что позволяет значительно увеличить рабочее напряжение детекторов. Ток p-i-n структуры определяется в основном током генерации

J = ^n'W в области объемного заряда с толщиной w. Температурная завит V симость тока является экспоненциальной •/(Г)~ехр(-£^/АТ)и при понижении температуры от комнатной до -40°С генерационный ток сильно понижается. Таким образом, обратный ток p-i-n структуры с площадью 1 см2 не будет превышать 10"12 А. Ток порядка Ю-12 — Ю-13 А дает незначительный вклад в энергетическое разрешение около 30 эВ, сравнимый с токовыми шумами германиевых и кремниевых детекторов, работающих при температуре жидкого азота. Повышение рабочего напряжения приводит к улучшению условий сбора заряда в детекторе и к улучшению энергетического разрешения.

Технология производства p-i-n CdTe детекторов была разработана в РНИИРП (Рижский научно-исследовательский институт радиоизотопного приборостроения), для p-i-n детектора, работающего при охлаждении до

35°С, получено энергетическое разрешение 1.9 кэВ для линии 122 кэВ и 6.8 кэВ для линии 662 кэВ [22]. Далее эта технология была развита в ПИЯФ (Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН), что позволило создавать детекторы с уникальными характеристиками: разрешение t 2 по линии 662 кэВ составило 3.4 кэВ для p-i-n детектора с площадью 1 см и толщиной 1.36мм при напряжении 1000В [23;24].

Тем не менее, эти высокоразрешающие детекторы все еще имели объем чувствительной области не более 100 мм3. Следовательно, при решении некоторых задач, где интенсивность гамма и рентгеновского излучения мала, использование таких детекторов может быть затруднено из-за маленького чувствительного объема. Другая важная характеристика p-i-n диода для спектрометрического детектора это долговременная стабильность спектрометрических характеристик детектора. К сожалению, для детекторов с толщиной рабочей области более 1 мм наблюдалось изменение разрешающей способности и чувствительности регистрации во время измерений. Причина этой нестабильности^ вероятно, связана с изменением условий собирания заряда в i-области детектора. Если p-i-n структура создана на полупроводнике, компенсированным глубокими уровнями, распределение поля в средней области может стать неравномерным из-за нарушения заполнения некоторых компенсирующих уровней. Уже на начальном этапе разработки технологии изготовления детекторов ядерных излучений из бинарных полупроводников (CdTe, Hgh и др.) рядом исследователей был обнаружен эффект временной нестабильности характеристик детекторов (уменьшение амплитуды сигнала и скорости счета во времени после приложения к детектору рабочего напряжения), это явление наблюдалось на структурах с переходами, созданных из высоко-омного CdTe компенсированного хлором и обычно обозначается как поляризация. Но истинная причина такой нестабильности не была определена.

Целью работы являлось создание детектирующих структур на основе монокристаллов CdTe и исследование их параметров для обеспечения высоких эксплуатационных характеристик детекторов: энергетического разрешения, сравнимого с Ge детекторами (1.5 кэВ для энергии 662 кэВ), эффективности регистрации гамма излучения с энергией от 20 до 1400 кэВ, временной стабильности (при времени непрерывной работы 8 часов).

Задачи диссертационной работы:

• оптимизация технологии изготовления p-i-п CdTe детекторов;

• исследование спектрометрических характеристик p-i-n детекторов и основных факторов, влияющих на спектрометрические характеристики:

- экспериментальные исследования;

- моделирование по методу Монте-Карло;

• исследование распределения электрического поля в p-i-n структурах, изготовленных из высокоомных (полуизолирующих) кристаллов CdTe, включая:

- экспериментальное определение пространственного распределения поля и его динамики после подачи на структуры электрического смещения;

- численное моделирование распределения поля при различных граничных условиях;

• изучение воздействия перестройки электрического поля на спектрометрические характеристики структур:

- численный расчет амплитудных спектров по измеренным профилям электрического поля;

- сравнение расчетных данных с экспериментально измеренными.

Научная новизна представленных в диссертационной работе результатов состоит в следующем:

- Проведено экспериментальное и численное исследование распределения электрического поля в p-i-n структурах из высокоомного CdTe с различными условиями на контактах, включающее определение динамики и степени локализации деформирования поля^

- Дано объяснение эффекту временной нестабильности («поляризации») детекторов изготовленных из полупроводниковых кристаллов CdTe, CdZnTe.

- Разработана программа расчета по методу Монте-Карло амплитудных спектров детекторов p-i-n структуры, учитывающая распределение электрического поля и транспортных характеристик в объеме исследуемых детекторов и предоставляющая возможность прогнозирования предельных характеристик детекторов (энергетическое разрешение, эффективность регистрации, временная стабильность) детекторов из широкозонных полупроводников.

Практическое значение работы заключается в создании детекторов гамма и рентгеновского излучения и их внедрении в практику разработки портативных спектрометрических приборов и портативных рентгенофлюо-ресцентных анализаторов. Данные приборы по ряду параметров превосходят известные аналоги и имеют более широкий спектр функциональных возможностей. Разработаны p-i-n CdTe детекторы гамма и рентгеновского излучения с энергетическим разрешением близким к детекторам из Ge и Si. Детекторы объемом 200 мм3 имеют разрешение по линии 662 кэВ равное 2.6 кэВ, а по линии 122 кэВ равное 1.3 кэВ, что сравнимо с кремниевыми и германиевыми детекторами, у которых разрешение по линии 662 кэВ составляет 1.0-1.3 кэВ, а по линии 122 кэВ разрешение 0.4-0.6 кэВ.

Результаты работы использованы при выполнении:

- технического контракта МАГАТЕ #9984/RFB;

- контракта с Radiant Detector Technology LLC: "Разработка и применение улучшенной электроники и технологии приборов для: Спектрометрической системы с Пельтье охлажденным CdTe детектором ("Polaris") от 25.10.2001 и дополнений к нему от 2001-2004 гг.;

Имеются акты об использовании результатов диссертационной работы

Ильвеса А.Г. в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН и в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина). Научные положения, выносимые на защиту:

1. Причиной временной нестабильности характеристик CdTe p-i-n детекторов является изменение распределения напряженности электрического поля в i-области p-i-n структуры из-за образования отрицательного объемного заряда и нарушения компенсации i-области при перезарядке глубоких центров.

2. Моделирование амплитудных спектров детекторов p-i-n структуры по методу Монте-Карло с учетом распределения электрического поля и транспортных характеристик в объеме детекторов является эффективным методом прогнозирования достижимых характеристик (энергетическое разрешение, эффективность регистрации, временная стабильность) детекторов.

Основные результаты и выводы по работе

1. Определены оптимальные параметры p-i-n структур (толщина i области, рабочая температура, площадь) для получения пригодных для решения практических задач детекторов из доступного в настоящее время CdTe. Изготовлены p-i-n CdTe детекторы объемом 200-300 мм с лучшим для некриогенных систем разрешением <0.5% по линии 662 кэВ при симметричной форме пика полного поглощения.

2. Исследовано влияние характеристик p-i-n детекторов из теллурида кадмия на разрешающую способность и форму амплитудного распределения импульсов от гамма квантов. Показана определяющая роль неравномерного распределения напряженности электрического поля на упомянутые характеристики детекторов.

3. Установлено, что ответственным за перераспределение напряженности поля в рабочем объеме детекторов является глубокий акцепторный уровень с энергией активации ~ 0.7 эВ. Концентрация глубоких акцепторов в исследованном материале, лежит в пределах 10"-1013 см"3. Ионизация глубоких акцепторов в чувствительном объеме, происходящая в рабочем режиме детекторов, является основным фактором, ограничивающим рабочий объем и временную стабильность p-i-n CdTe детекторов,

4. Разработана программа расчета амплитудного спектра по методу Монте-Карло, учитывающая распределение напряженности электрического поля в чувствительном объеме детектора. Справедливость моделирования подтверждена хорошим совпадением экспериментальных и численных результатов.

В заключение выражаю благодарность моим родителям за моральную и материальную поддержку.

Благодарю моего руководителя А.Х.Хусаинова за внимательное руководство работой.

Благодарю весь коллектив отдела полупроводниковых ядерных детекторов, и особенно Котину И.М., за дружескую поддержку и полезные обсуждения технических и научных проблем, связанных с данной работой.

Заключение

1. Е. Н. Аркадьева, О. А. Матвеев, Ю. В. Рудь, and С. М. Рыбкин, "О возможности использования теллурида кадмия для создания пр детекторов гамма-квантов," ЖТФ, vol. 36, по. 6, pp. 1146-1148, 1966.

2. Е. Н. Аркадьева, JI. В. Маслова, О. А. Матвеев, and Ю. В. Рудь, "О спектрометрии а частиц n-р счетчиками на основе теллурида кадмия," Ф777, vol. 1, по. 5, pp. 805-806, 1967.

3. J. W. Mayer, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. 43, p. 55, 1966.

4. E. N. Arkadeva, L. V. Maslova, O. A. Matveev, S. M. Ryvkin, and Y. V. Rud, "On the CdTe detectors," IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. NS-15, no. 3-4, pp. 258-259, 1968.

5. W. Akutagawa and K. R. Zanio, "The possibilities of using CdTe as a gamma spectrometer," IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. NS-15, no. 3-4, pp. 266-274, 1968.

6. A. Cornet, P. Siffert, A. Coche, and R. Triboulet, "Cadmium telluride surface barrier detectors," Applied Physics Letters, vol. 17, pp. 432-436, 1970.

7. M. Hage-Ali and P. Siffert, "CdTe Nuclear Detectors and Applications. " Semiconductors and semimetals, vol. 43, pp. 291-334, 1995.

8. В. С. Пономарев, В. А. Мейер, О. А. Матвеев, A. X. Хусаинов, В. Д. Куликов, and А. А. Томасов, "Исследование детекторов из теллурида кадмия для применения в рентгенофлуоресцентном анализе," ПТЭ, по. 1, pp. 228-232, 1980.

9. D. S. McGregor and Н. Hermon, "Room-temperature compound semiconductor radiation detectors," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A395, pp. 101-124, 1997.

10. M. R. Squillante and G. Entine, "New applications of CdTe nuclear detectors," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A322, pp. 569-574, 1992.

11. С. Scheiber and J. Chambron, "CdTe detectors in medicine: a review of current applications and future perspectives," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A322, pp. 604-614, 1992.

12. C. Scheiber, "CdTe and CdZnTe detectors in nuclear medicine," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A 448, pp. 513-524, 2000.

13. C. Scheiber and G. C. Giakos, "Medical applications of CdTe and CdZnTe detectors," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A458, pp. 12-25,2001.

14. S. Ricq, F. Glasser, and M. Garcin, "CdTe and CdZnTe detectors behavior in X-ray computed tomography conditions," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A 442, pp. 45-52, 2000.

15. R. Arlt, К. H. Czock, and D. E. Rundquist, "Overview of the use of CdTe detectors for the verification of nuclear material in nuclear safeguards," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A322, pp. 575-582, 1992.

16. R. Arlt and D. E. Rundquist, "Room temperature semiconductor detectors for safeguards measurements," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A 380, pp. 455-461, 1996.

17. L. A. A. Terremoto, C. A. Zeituni, J. A. Perrotta, and J. E. R. da Silva, "Gamma-ray spectroscopy on irradiated MTR fuel elements," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A450, pp. 495-514, 2000.

18. А. X. Хусаинов and Ю. А. Петухов, "Способ изготовления детекторов ионизирующих излучений, "Авторское свидетельство №1194160, приоритет 08.07.83, 1985.

19. A. Kh. Khusainov, "Cadmium telluride detectors with thermoelectric cooling," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A322, pp. 335-340, 1992.

20. A. Kh. Khusainov, R. Arlt, and P. Siffert, "Perfomance of a high resolution CdTe and CdZnTe p-i-n detectors," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A 380, pp. 245-251, 1996.

21. R. Arlt, V. Ivanov, and A. Kh. Khusainov, "Advances in high-resolution CdTe and large volume CdZnTe detectors," SPIE, vol. 31515, pp. 227-236, 1997.

22. В. Гайтлер, Квантовая теория излучения. Москва: Иностранная литература, 1956.

23. Н. L. Malm, Т. W. Raudorf, М. Martini, and К. R. Zanio, "Gamma ray efficiency comparisons for Si(Li), Ge, CdTe and HgI2 detectors," IEEE Transaction on Nuclear Science, vol. NS-20, no. 1, pp. 500-509, 1972.

24. S. Ramo, "Currents induced by electron motion," Proceedings of the IRE, p. 584, Sept. 1939.

25. Z. He, "Review of the Shockley-Ramo theorem and its application in semiconductor gamma-ray detectors," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A 463, pp. 250-267, 2001.

26. T. W. Raudorf and R. Pehl, "Effect of charge carrier trapping on Ge coaxial detector line shapes," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A 255, pp. 538-551, 1987.

27. R. Trammell and F. J. Walter, "The effect of carrier trapping in semiconductor y-ray spectrometers," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. 76, p. 317, 1969.

28. T. A. McMath and M. Martini, "The effect of charge trapping on the spectrometer perfomance of p-i-n semiconductor detectors," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. 86, pp. 245-252, 1970.

29. V. Radeka, "Signal, noise and resolution in position-sensitive detectors," IEEE Transaction on Nuclear Science, vol. NS-21, no. 1, pp. 51-64, 1974.

30. Дж. Дирнли and Д. Нортроп, Полупроводниковые счетчики ядерных излучений 1966.

31. X. Шмидт, Измерительная электроника в ядерной физике. Москва: Мир, 1989.

32. F. N. Hooge, Т. G. М. Kleinpenning, and L. К. J. Vandamme, "Experimental studies on 1/f noise," Reports on Progress in Physics, vol. 44, no. 5, pp. 479-532, 1981.

33. F. S. Goulding and D. A. Landis, "Signal processing for semiconductor detectors," IEEE Transaction on Nuclear Science, vol. NS-29, no. 3, pp. 1125-1141, 1982.

34. F. S. Goulding, "Some aspects of detectors and electronics for x-ray fluorescence analysis," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A142, pp. 213-223, 1977.

35. J. S. Iwanczyk and B. Patt, "Electronics for x-ray and gamma ray spectrometers," Semiconductors andsemimetals, vol. 43, pp. 531-560, 1995.

36. J. S. Iwanc2yk and W. F. Schnepple, "The effect of charge trapping on the spectrometric perfomance of HgI2 y-detectors," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A322, pp. 421-426, 1992.

37. H. L. Malm and M. Martini, "Polarization phenomena in CdTe preliminary results," Can. J. Phys., vol. 51, pp. 2336-2340, 1973.

38. H. L. Malm and M. Martini, "Polarization phenomena in CdTe nuclear radiation detectors," IEEE Transaction on Nuclear Science, vol. NS-21, no. l,pp. 322-330, 1974.

39. R. O. Bell, G. Entine, and H. B. Serreze, "Time-dependent polarization of CdTe gamma-ray detectors," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. 117, pp. 267-271, 1974.

40. P. Siffert, J. Berger, C. Scharager, A. Cornet, and R. Stuck, "Polarization in cadmium telluride nuclear radiation detectors," IEEE Transaction on Nuclear Science, vol. NS-23, no. 1, pp. 159-170, 1976.

41. F. V. Wald and G. Entine, "Crystal growth of CdTe for y-ray detectors," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. 150, no. 1, pp. 13-23, 1978.

42. T. Mohammed-Brahim, A. Friant, and J. Mellet, "Structure MIS effects on polarization of Hgl2 crystals used for y-ray detection," IEEE Transaction on Nuclear Science, vol. NS-32, no. 1, pp. 581-584, 1985.

43. A. Holzer and M. Schieber, "Reduction of polarization in mercuric iodide nuclear radiation detectors," IEEE Transaction on Nuclear Science, vol. NS-27, no. 1, pp. 266-271, 1980.

44. M. Hage-Ali, R. Stuck, C. Scharager, and P. Siffert, "Correlation between surface properties and detection characteristics of cadmium telluride detectors," IEEE Transaction on Nuclear Science, vol. NS-26, no. 1, pp. 281291, 1979.

45. А. Ярив and П. Юх, Оптические волны в кристаллах. Москва: Мир, 1987.

46. D. F. Nelson and F. К. Reinhart, "Light modulation by the electro-optic effect in reverse-biased GaP p-n junctions," Applied Physics Letters, vol. 5, no. 7, pp. 148-150, 1964.

47. E. P. Мустель and В. H. Парыгин, Методы модуляции и сканирования света. Москва: Наука, 1970.

48. В. М. Андреев, В. К. Еремин, and Н. Б. Строкан, "Об использовании электрооптического эффекта для изучения области пространственного заряда р-n структур," Ф777, vol. 20, по. 7, pp. 1234-1238, 1986.

49. A. Zumbiehl, М. Hage-Ali, P. Fougeres, J. М. Koebel, R. Regal, and P. Siffert, "Electric field distribution in CdTe and CdZnTe nuclear detectors," Journal of Crystal Growth, vol. 197, pp. 650-654, 1999.

50. H. W. Yao, R. J. Anderson, R. B. James, and R. W. Olsen, "Optical stadies of the internal electric field disributions of CZT detectors under bias conditions," Material Research Society Symposium Proceedings, vol. 487, pp. 51-57, 1998.

51. П. Г. Кашерининов, А. В. Кичаев, and А. А. Томасов, "Фотоэлектрические явления в структурах на высокоомных полупроводниковых кристаллах с тонким слоем диэлектрика на границе полупроводник-металл," ФТП, vol. 29, по. 11, pp. 2092-2106, 1995.

52. П. Г. Кашерининов, А. В. Кичаев, С. JI. Кузьмин, and И. Д. Ярошец-кий, "Полупроводниковый фотоприемник со светоуправляемой фоточувствительной областью," Письма в ЖТФ, vol. 19, по. 9, pp. 51-54, 1993.

53. П. Г. Кашерининов, А. В. Кичаев, С. JI. Кузьмин, М. М. Мездрогина, and И. Д. Ярошецкий, "Быстрые нелинейные оптические среды на гетероструктурах электрооптический-неэлектрооптический кристалл (CdTe-a-Si)," Письма в ЖТФ, vol. 19, по. 9, pp. 47-50, 1993.

54. П. Г. Кашерининов, А. В. Кичаев, and И. Д. Ярошецкий, "Распределение напряженности электрического поля в высокоомных М(ТД)П(ТД)М структурах при освещении," Письма в ЖТФ, vol. 19, по. 17, pp. 49-54, 1993.

55. П. Г. Кашерининов, М. М. Мездрогина, and И. Д. Ярошецкий, "Полупроводниковая гетероструктура электрооптический-неэлектрооптический кристалл на системе гидрированный кремний-теллурид кадмия," Письма в ЖТФ, vol. 20, по. 8, pp. 24-29, 1994.

56. П. Г. Кашерининов, А. В. Кичаев, and И. Д. Ярошецкий, "Фотоэлектрические явления в структурах с границей раздела полупроводник-тонкий слой диэлектрика на высокоомных компенсированных кристаллах," ЖТФ, vol. 65, по. 9, pp. 193-197,1995.

57. А. Джеррард and Дж. M. Бёрч, Введение в матричную оптику. Москва: Мир, 1978.

58. В. JL Бонч-Бруевич and С. Г. Калашников, Физика полупроводников. Москва: Наука, 1977.

59. W. Shockley and W. Т. Read, "Statistics of the recombinations of holes and electrons," Physical Review, vol. 87, no. 2, pp. 835-842, 1952.

60. Б. И. Резников and Г. В. Царенков, "Светоуправляемые электрические поля в высокоомной МПМ структуре при наличии глубоких примесных уровней. 1. Малые интенсивности.," ФТП, vol. 28, по.2, pp. 242-258, 1994.

61. С. Зи, Физика полупроводниковых приборов. Москва: Мир, 1984.

62. Б. С. Польский, Численное моделирование полупроводниковых приборов. Рига: Зинатне, 1986.

63. А. Н. Бубенников and А. Д. Садовников, Физико-технологическое проектирование биполярных элементов кремниевых БИС. Москва: Радио и связь, 1991.

64. П. Г. Кашерининов, Б. И. Резников, and Г. В. Царенков, "Фотоэффект в структуре металл-полупроводник-металл на основе вы-сокоомного полупроводника," ФТП, vol. 26, по. 8, pp. 1480-1492, 1992.

65. G. Fonthala, L. Tirado-Mejia, J. I. Marin-Hurtado, H. Ariza-Calderon, and J. G. Mendoza-Alvares, "Temperature dependence of the band gap energy of crystalline CdTe," Journal of Physics and Chemistry of Solids, vol. 61, pp. 579-583, 2000.

66. J. P. Ponpon, "A review of ohmic and rectifying contacts on cadmium tel-luride," Solid-State Electronics, vol. 28, no. 7, pp. 689-706, 1985.

67. A. T. Akobirova, L. V. Maslova, O. A. Matveev, S. M. Ryvkin, and A. Kh. Khusainov, "Charge collection in M-S-M cadmium telluride detectors," Revue de Physique Appliquee, vol. 12, pp. 331-334, 1977.

68. T. Takebe, J. Saraie, and H. Matsunami, "Detailed characterization of deep centers in CdTe: photoinonization and thermal ionization properties," J. Appl. Phys., vol. 53, no. 1, pp. 457-468, 1982.

69. X. Mathew, "Photo-induced current transient spectroscopic study of the traps in CdTe," Solar Energy Materials & Solar Cells, vol. 76, pp. 225242, 2003.

70. G. Aubin, J. Barrette, G. Lamoureux, and S. Monaro, "Calculated relative efficiency for coaxial and planar Ge(Li) detectors," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. 76, pp. 85-92, 1969.

71. B. F. Peterman, S. Hontzeas, and R. G. Rystephanick, "Monte carlo calculations of relative efficiencies of Ge(Li) detectors," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. 104, pp. 461-468, 1972.

72. G. Gaggero, "Monte carlo calculations for the photofractions and energy loss spectra of Ge(Li) semiconductor detectors," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. 94, pp. 481-492, 1971.

73. B. Lai and К. V. K. Iyengar, "Monte carlo calculations of gamma ray re-sponcse characteristics of cylindrical Ge(Li) detectors," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. 79, pp. 19-28, 1970.

74. N. V. De Castro Faria and R. J. A. Levesque, "Photopeak and double-escape peak efficiencies of germanium lithium drift detectors," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. 46, pp. 325-332, 1967.

75. B. Grosswendt and E. Waibel, "Determination of detector efficiencies for gamma ray energies up to 12 MeV," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. 131, pp. 143-156, 1975.

76. J. C. Liu, W. R. Nelson, and R. Seefred, "Response calculations of the CdZnTe detector using EGS4," KEK Proceedings, vol. 200-20, pp. 135143, 2000.

77. A. Gliere, M. Rosaz, and L. Verger, "Simulation of CdZnTe gamma-ray spectrometer response," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A442, pp. 250-254, 2000.

78. J. M. Puzovic and I. V. Anicin, "User-friendly Monte-Carlo program for the generation of gamma-ray spectral responses in complex source-detector arrangements," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A414, pp. 279-282, 1998.

79. C. Manfredotti, F. Fizzotti, P. Polesello, and E. Vittone, "A realistic simulation of CdTe gamma-ray detectors," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A380, no. 1-2, pp. 145-147, 1996.

80. S. Miyajima, H. Sakuragi, and M. Matsumoto, "Response of CdZnTe detector in measurement of diagnostic x-ray spectra," KEK Proceedings, vol. 200-20, pp. 242-249, 2000.

81. E. Storm and H. I. Israel, "Photon cross sections from 1 kev to 100 Mev for elements Z=1 to Z=100," Nuclear Data Tables, vol. A7, pp. 565-681, 1970.

82. A. F. Bielajew and D. W. O. Rogers, "PRESTA: the parameter reduced electron-step transport algorithm for electron Monte Carlo transport," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. В18, pp. 165181,1987.

83. С. H. Blanchard and U. Fano, "A formula for multiple scattered electrons," Physical Review, vol. 82, p. 767, 1951.

84. H. A. Bethe, "Moliere's theory of multiple scattering," Physical Review, vol. 89, no. 6, pp. 1256-1266, 1953.

85. B. Grosswendt, "Berechnung der electronen-bremsstrahlspektren in NaJ, CsJ, Si und Ge," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. 116, pp. 97-104, 1974.

86. H. W. Koch and J. W. Motz, "Bremsstrahlung cross-section formulas and related data," Reviews of Modern Physics, vol. 31, no. 4, pp. 920-955, 1959.

87. S. M. Seltzer and M. J. Berger, "Bremsstrahlung spectra from electron interactions with screened atomic nuclei and orbital electrons," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. В12, pp. 95-134, 1985.

88. A. F. Bielajew, Fundamentals of the Monte Carlo method for neutral and charged particle transport The University of Michigan, 2000.

89. W. H. Press, S. A. Teukolsky, W. T. Vetterling, and B. P. Flanneiy, Numerical Recipes in C, second ed CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS, 1997.

90. A. Kh. Khusainov, A. L. Dudin, A. G. lives, V. F. Morozov, A. K. Pusto-voit, and R. D. Arlt, "High performance p-i-n CdTe and CdZnTe detectors," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A428, pp. 58-65, 1999.

91. N. V. Agrinskaya, Sov. Phys. Semicond., vol. 2, p. 776, 1969.

92. A. C. Lewandowski and S. W. S. McKeever, "Trapping parameters in CdTe single crystals determined by thermally stimulated conductivity," J. Appl. Phys., vol. 68, no. 1, pp. 2196-2205, 1990.

93. D. M. Hofmann, W. Stadler, P. Christmann, and В. K. Meyer, "Defects in CdTe and CdZnTe," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A380, pp. 117-120, 1996.

94. M. Samimi, В. Biglari, М. Hage-Ali, J. M. Koebel, and P. Siffert, "Structural defects in high resistivity cadmium telluride," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A283, pp. 243-248, 1989.

95. R. Gunnink and R. Arlt, "Methods for evaluating and analyzing CdTe and CdZnTe spectra," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A 458, pp. 196-205, 2001.

96. D. T. Vo and P. A. Russo, "PC/FRAM plutonium isotopic analysis of CdTe gamma-ray spectra," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A486, pp. 813-824, 2002.