НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

АНОХІН

ІГОР ЄВГЕНОВИЧ

УДК 621.315.592 : 537.222

ВПЛИВ НЕЙТРОННОГО ТА ІОНІЗУЮЧОГО ОПРОМІНЕННЯ НА ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КРЕМНІЄВИХ СТРУКТУР

Спеціальність – 01.04.07 – фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі теоретичної фізики Наукового центру «Інститут ядерних досліджень».

Науковий керівник – кандидат фіз.-мат. наук
Зінець Олег Сергійович
Науковий центр «Інститут ядерних досліджень»
старший науковий співробітник

Офіційні опоненти – доктор фіз.-мат. наук, професор
Саченко Анатолій Васильович
Інститут фізики напівпровідників НАН України
провідний науковий співробітник;

доктор фіз.-мат. наук
Крайчинський Анатолій Миколайович
Інститут фізики НАН України
завідувач відділу.

Провідна установа – Київський університет ім. Тараса Шевченка,
радіофізичний факультет

Захист відбудеться « 21 » червня 2000 р.. о 14-30 год., на засіданні Спеціалізованої Вченої Ради Д 26.159.01 в Інституті фізики НАН України за адресою: 03650, м.Київ-39, проспект Науки 46.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Інституту фізики

НАН України.

Автореферат розіслано « 18 » травня 2000 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої Вченої Ради Д 26.159.01 Іщук В.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вивчення впливу опромінення великими дозами високоенергетичних частинок, зокрема швидкими нейтронами та протонами, на електрофізичні властивості високоомного детекторного кремнію залишається одним з найбільш популярних на сьогоднішній день напрямів досліджень в радіаційній фізиці твердого тіла. В першу чергу це пов’язано з проведенням серії нових експериментів в фізиці високих енергій, в яких використовуються кремнієві детектори в умовах великого дозового навантаження. Процесу дефектоутворення в кремнії при його опроміненні присвячено багато робіт як теоретичних, так і експериментальних, проте велике різноманіття дефектів в тому числі стабільних багатозарядних електроактивних центрів, які утворюються внаслідок опромінення, та шляхів їх утворення не дають змоги говорити про закінченість моделей розрахунків залежності впливу опромінення на електрофізичні властивості кремнію.

Дослідження радіаційних ефектів в кремнії цікаві з теоретичної точки зору для розуміння впливу радіаційного опромінення на електрофізичні властивості кремнію і перспективні з практичної точки зору насамперед для прогнозування стійкості твердотільних приладів та термінів роботи напівпровідникових детекторів в умовах великих доз опромінення. Практично важливим є урахування поряд із дифузією дрейфу в поперечному електричному полі при розгляді процесів розділення та збиранні заряду в кремнієвих стрип – детекторах, що дозволяє визначати координати попадання частинки в проміжок між двома сусідніми смужками стрип – детектора з мікронною точністю.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у межах бюджетних тем відділу теоретичної фізики НЦ "ІЯД" НАНУ " Сильно нерівноважні і неоднорідні кристалічні системи в полях ядерного і електромагнітного опромінення" № 01.9.10033641 (1991-1995) та “Теоретичне дослідження впливу ядерного опромінення на нерівноважні та невпорядковані кристали та пошук радіаційно - чутливих ефектів в кристалах” № 0197U016410 (1996-2000).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є побудова теорії впливу нейтронного та іонізуючого опромінення на електрофізичні властивості високоомного особливо чистого кремнію та структур на його основі.

Задачі, які розв’язуються в дисертаційній роботі:

1)

1)

1)

1)

Наукова новизна. В дисертаційній роботі вперше отримані такі результати:

1.

1.

1.

Практичне значення роботи.

Результати вивчення особливостей дефектоутворення в надчистому кремнії та розрахунки вольт – амперних характеристик довгих p-i-n діодів були використані при розробці нового класу аварійних нейтронних дозиметрів, які знайшли практичне застосування в ІЯД НАНУ та при ліквідації аварії на ЧАЕС, Інституті експериментальної фізики РАН, використовувались для визначення полів іонізуючих випромінювань на прискорювачі в ЦЕРНІ.

Особистий внесок автора. Особисто автором:

·

· знайдено умови, коли відбувається інверсія типу провідності при опроміненні високоомного кремнію швидкими нейтронами;

· проведені розрахунки залежності вольт амперних характеристик кремнієвих p-i-n структур при проміжних рівнях інжекції від дози опромінення швидкими нейтронами.

· складено пакет комп’ютерних програм для розрахунку розподілу концентрації вільних носіїв заряду в робочій області p-i-n діода для різних параметрів системи.

· проведені розрахунки впливу неоднорідності розподілу електричного поля в робочій області кремнієвих стрип – детекторів на ефективність збирання заряду.

· складено пакет комп’ютерних програм для розрахунку розподілу електричного поля в кремнієвих стрип – детекторах в залежності від параметрів системи;

Постановка задач та обговорення одержаних результатів проводились з науковим керівником та співавторами.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати дисертаційної роботи були представлені на 9-й Міжнародній конференції по Твердотільній дозиметрії (Відень, Австрія, 1989), 15-й Міжнародній конференції по Трекам частинок в твердих тілах (Марбург, ФРН, 1990), ІІІ міжнародній школі з ядерної фізики (Київ, 1992р.), Щорічних наукових конференціях Інституту ядерних досліджень НАНУ (Київ, 1995, 1999), 4-й Міжнародній конференції “Застосування напівпровідникових детекторів в ядерно-фізичних задачах” (Рига, Латвія, 1995), на Науковій конференції "9 років після Чорнобильської аварії" (Київ, 1995), на Міжнародній конференції по ядерним та космічним радіаційним ефектам NSREC’96 (Індіан Велс, США, 1996), Міжнародній конференції по ядерним даним для науки та технології (Трієст, Італія, 1997), 12-й Міжнародній конференції по Твердотільній дозиметрії (Бургос, Іспанія, 1998), 5-й міжнародній конференції по позиційно – чутливим детекторам (Лондон, Великобританія, 1999), а також на семінарах відділу теоретичної фізики НЦ “Інститут ядерних досліджень” НАН України.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 21 друкована робота.

З них 5 в наукових журналах, 7 статей в збірниках наукових праць, 1 препринт, 8 – тези доповідей на конференціях

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів та списку використаних джерел, що містить 102 найменування. Повний обсяг дисертації складає 137 сторінок, в тому числі 21 рисунок та 7 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми досліджень, проаналізований сучасний стан проблеми, сформульована мета та визначені конкретні задачі роботи, показані новизна та практичне значення отриманих результатів, приведені відомості про апробацію роботи, наведена загальна характеристика дисертації.

Перший розділ має оглядовий характер. В ньому приведено короткий огляд літератури по темі дисертаційної роботи. Аналізуються теоретичні та експериментальні роботи, присвячені вивченню впливу нейтронного та іонізуючого опромінення на електрофізичні властивості структур, виготовлених на основі високоомного особливо чистого кремнію та обговорюються перспективи застосування цих структур.

В другому розділі проведений теоретичний розрахунок поведінки положення рівня Фермі та концентрації вільних носіїв заряду в високоомному особливо чистому кремнії в залежності від дози опромінення швидкими нейтронами .

Для виготовлення напівпровідникових детекторів використовується кремній, в якому присутні як мілкі донори (фосфор), так і акцептори (бор). Також в кремнії існують так звані “неконтрольовані” домішки, такі як кисень або вуглець, концентрації яких внаслідок особливості технологічних процесів неможливо зробити як завгодно малими, та інші дефекти (такі як дислокації, границі, тощо), які являються стоками для радіаційних дефектів. Первинні радіаційні дефекти (вакансії та міжвузольні атоми) в кремнії рухомі навіть при дуже низьких температурах. Вони вступають у взаємодію між собою та іншими домішками та дефектами кристалу, утворюючи більш складні вторинні радіаційні дефекти. Будемо вважати, що концентрація дівакансій зростає прямо пропорційно з дозою опромінення, як у випадку опромінення гама квантами, так і у випадку опромінення швидкими нейтронами. Відповідна система кінетичних рівнянь для випадку опромінення високоомного особливо чистого кремнію може бути записана у наступному вигляді: (1)

де VV, V, I, P, O, B - концентрації дівакансій, вакансій, міжвузольних атомів, фосфору, кисню та бору відповідно; B0 - початкова концентрація бору; aV, aI, aVV - лінійна густина вакансій, міжвузольних атомів кремнію та дівакансій, які утворюються внаслідок опромінення; Sv, Si - вірогідність виходу вакансій та міжвузольних атомів кремнію на стоки; gPV, gOV, gBiV, gBI - кінетичні коефіцієнти взаємодії фосфору з вакансією, кисню з вакансією, міжвузольного бору з вакансією та бору з міжвузольним атомом кремнію відповідно, Ф - густина потоку нейтронів (нейтрон / см2 с).

У квазістаціонарному наближенні, коли повільній зміні за часом відповідає практично постійне значення концентрації вакансій та міжвузольних атомів, а також при умові, що вакансії та міжвузольні атоми в основному зникають на стоках, тобто коли виконуються наступні нерівності: та, що справедливо для високоомного детекторного кремнію з відносно малим вмістом кисню, з рішення системи (1), можна отримати наступні вирази для залежності концентрацій електроактивних центрів від дози нейтронного опромінення: (2)

де E, A - концентрації E та A центрів відповідно, P0, O0 - початкові концентрації фосфору та кисню, Ф=фt - доза опромінення,

Положення рівня Фермі у рівноважному випадку визначається з рівняння електронейтральності. В нашому випадку це рівняння набуває наступного вигляду: (3)

тут n, p - концентрації електронів в зоні провідності та дірок в валентній зоні відповідно, B(-), P(+), A(-), E(-), VV(+), VV(-) -концентрації іонізованих атомів бору та фосфору, A- та E-центрів, а також дівакансії у донорному та акцепторному стані відповідно. При цьому слід зазначити, що дивакансія – це багатозарядний амфотерний центр який може знаходиться або в акцепторному, або в донорному стані, і для визначення заповнення відповідних станів необхідно виходити з розподілу Гібса для систем із змінним числом частинок.

Підставляючи залежності концентрацій електроактивних домішок від дози опромінення (2) в рівняння електронейтральності (3) і вирішуючи отримане рівняння чисельно, можна отримати залежність положення рівня Фермі (F) від дози опромінення швидкими нейтронами в високоомному детекторному кремнії.

У випадку великих значень концентрацій дівакансій, що згідно з (2) відповідає великим дозам опромінення, для залежності положення рівня Фермі від параметрів системи можна отримати наступний аналітичний вираз: (4)

де введені наступні позначення:

При подальшому збільшенню дози опромінення, починаючи з доз Фt, коли виконуються умови, положення рівня Фермі прямує до граничного значення, яке визначається виключно положенням рівнів дівакансії і не залежить від початкового домішкового складу кремнію: (5)

На рис.1 наведено результати чисельних розрахунків залежності концентрації вільних носіїв заряду в кремнії від дози опромінення швидкими нейтронами (~1 МеВ) при різних початкових значеннях концентрацій бору та фосфору. Як видно з наведених кривих, незалежно від типу початкової провідності та початкової концентрації мілких домішок, починаючи з доз ~2*10^14 н/см2, значення концентрації вільних носіїв заряду прямує до сталого значення p->1.55*10^11 см-1, що узгоджується з експериментальними результатами [3, 4]. Це відповідає стабілізації рівня Фермі біля значення F=Ec-0.75 еВ, що співпадає із значенням, розрахованим за формулою (5).

Рис. 1. Залежності концентрації вільних носіїв заряду в кремнії від дози опромінення швидкими нейтронами (~1 МеВ)

У випадку, коли початкова провідність кремнію була електронною (кремній n-типу), при певних дозах, значення яких залежать від початкового домішкового складу відбувається зміна типу основних носіїв заряду – так звана інверсія типу провідності. Цей ефект спостерігався експериментально при опроміненні високоомного особливо чистого кремнію p-типу великими дозами швидких нейтронів та alpha-частинок [2,3].

При інверсії типу провідності рівняння електронейтральності (3) набуває вигляду: (6)

В цьому рівнянні в лівій частині стоїть густина іонізованих донорів (за винятком дівакансії), а в правій – ефективна густина іонізованих акцепторів. Підставляючи в це рівняння залежності концентрацій від дози опромінення і вирішуючи отримане рівняння відносно дози, отримаємо значення дози опромінення Фti, коли відбудеться інверсія типу провідності. Із рівняння (6) випливає, що для умов, які розглянуті в даній роботі, ефект інверсії типу провідності обумовлюється в першу чергу зменшенням концентрації атомів фосфору в процесі опромінення до рівня, коли концентрації фосфору та бору в положенні заміщення зрівнюються (концентрація останнього в процесі опромінення дещо зменшується за рахунок переходу атомів бору у міжвузольне положення). В той же час зростанням концентрації інших акцепторних центрів, які знаходяться в іонізованому стані, можна знехтувати. Виходячи з вищесказаного, можна записати наближений вираз для визначення дози опромінення, коли відбувається інверсія типу провідності при опромінені високоомного кремнію швидкими нейтронами: (7)

В третьому розділі теоретично досліджується вплив опромінення швидкими нейтронами на властивості p-i-n діодів з довгою базою, виготовлених на основі високоомного особливо чистого кремнію (див. рис.2)

Рис. 2 Геометрія p-i-n діода.

Будемо вважати, що довжина бази діоду набагато більша за інші просторові характеристики діоду, тому будемо розглядати одновимірний випадок. Поза областями просторового заряду справедливо наближення квазінейтральності, у цьому випадку часи життя електронів і дірок співпадають:

В цих наближеннях розподіл концентрації інжектованих носіїв в стаціонарному випадку визначається дифузійно – дрейфовим рівнянням: (8)

де введено позначення, , .

тут n0, p0 - рівноважні концентрація електронів і дірок відповідно, - надлишкові концентрації електронів і дірок відповідно, Mn, Mp - рухливості електронів і дірок відповідно, Dn, Dp - коефіцієнти дифузії електронів і дірок відповідно, E напруженість електричного поля, Nd, Na - концентрації іонізованих донорів і акцепторів відповідно.

Вираз для напруженості електричного поля E має вигляд: (9)

I=In+Ip - сумарна щільність струмів електронів і дірок.

Для випадку довгого p-i-n діоду можна знехтувати падінням напруги на сильно легованих p(+) та n(+) областях і на областях переходів p(+)-n, n-n(+), які складають малу частину довжини діоду, у цьому випадку ВАХ буде визначатися падінням напруги на базі діоду. З урахуванням виразу для напруженості електричного поля (9), остаточно отримаємо:

(10) де сумарна нерівноважна провідність.

Таким чином, для розрахунку ВАХ необхідно знати розподіл концентрації електронів і дірок в базі діода, для цього необхідно вирішити рівняння (8) з відповідним граничними умовами. Будемо вважати, що можна знехтувати процесами рекомбінації – генерації в областях p(+)-n, n-n(+) переходів, а також вважаємо, що струми неосновних носіїв заряду однакові по обидві сторони переходу. Струми неосновних носіїв в сильно легованих областях вважаємо чисто дифузійними. Враховуючи, що розміри цих областей (~1 ) набагато менші дифузійних довжин, будемо вважати, що градієнт концентрації неосновних носіїв в p(+) та n(+) областях постійний, не залежить від часу життя і визначається тільки розмірами цих областей і концентрацією носіїв заряду на границях областей [4]. Враховуючи вищесказане, у випадку невеликих рівнів інжекції, коли провідності p(+) та n(+) областей істотно не змінюються [5], граничні умови для рівняння (8) можна записати у вигляді: (11)

Зміна ВАХ p-i-n діодів під дією опромінення зумовлена змінами параметрів напівпровідника, в першу чергу часу життя неосновних носіїв заряду і рівноважного питомого опору. Залежність часу життя неосновних носіїв заряду від дози опромінення описується відомим співвідношенням , де час життя неосновних носіїв заряду до опромінення, - коефіцієнт радіаційної зміни часу життя, Ф - доза опромінення швидкими нейтронами. Для врахування впливу нейтронного опромінення на питомий опір бази будемо користуватися феноменологічним виразом, отриманим в роботі [6]: .

На рис.3 наведені розраховані профілі розподілу надлишкових носіїв заряду в базі кремнієвого p-i-n діоду при постійній величині густині струму і для різноманітних доз опромінення нейтронами.

Рис.3. Профілі розподілу надлишкових носіїв заряду в базі кремнієвого p-i-n діоду. Криві 1, 2, 3 відповідають дозам 0, 2, 8 крад.

При розрахунках використані наступні значення параметрів:

Як видно із рис.3, розподіл густини носіїв заряду істотно асиметричний, отже, коефіцієнти інжекції p(+)-n і n(+)-n переходів різні, крім того, в розглянутому випадку дійсно виконується умова проміжного рівня інжекції ( змінюється від 0.01 до 30).

Знаючи розподіл носіїв в базі діоду, за допомогою (10) можна обчислити падіння напруги Vb при заданому струмі і його зсув в залежності від дози опромінення нейтронами Ф.

На рис.4 наведено теоретичні та експериментальні залежності зміни падіння напруги на базі p-i-n діоду від дози опромінення Ф при постійному значені струму I=1 мА для діодів з різними довжинами бази.

Із приведених результатів випливає, що при розрахунках ВАХ p-i-n діодів при доза більш ніж 2 крад необхідно враховувати залежність питомого опору від дози опромінення, причому при цьому вклад в зсув ВАХ зміни питомого опору стає домінуючим. В цілому результати теоретичних розрахунків задовільно описують експериментальні дані. Кількісне розходження експериментальних і теоретичних кривих знаходиться в межах точності даних використаних при обчисленнях параметрів ( та інше).

Рис.4. Залежність зміни падіння напруги на базі p-i-n діоду від дози опромінення Ф.

Криві 1, 2, 3 – експериментальні і відповідають довжинам бази: d= 0.12, 0.22, 0.32 см;

Криві 1.0, 2.0, 3.0 – розраховані без урахування залежності від дози опромінення;

В четвертому розділі розраховано розподіл електричного поля в робочій області стрип – детектора в залежності від параметрів системи та проаналізовано вплив дрейфу в подовжньому електричному полі на точність визначення координат попадання іонізуючої частинки в проміжок між двома сусідніми смужками стрип – детектора. Кремнієві стрип – детектори найбільш широко застосовуються в експериментах по фізиці високих енергії для точного визначення місця проходження зарядженої частинки в вершинних детекторних системах (vertex detector system) [7,8]. На рис.5 схематично представлено фрагмент стрип – детектора в області двох сусідніх смужок.

Рис.5. Схема кремнієвого стрип – детектора.

1 - шар SiO2 з вбудованим позитивним поверхневим зарядом на границі поділу Si-SiO2;

2 - поверхневий n(+) канал між сусідніми смужками;

3 - смужки, на які збирається заряд;

4 - тиловий алюмінієвий електрод.

Принцип роботи позиційно – чутливих детекторів (ПЧД) грунтується на збиранні електронів і дірок, що були генеровані високоенергетичними частинками в детекторі, на смужках детектора. Характеристики ПЧД кардинально залежать від дифузії, дрейфу в електричному полі, захоплення на пастках, рекомбінації електронів і дірок в об’ємі детектора, тому що саме ці процеси визначають зібрання заряду і отже відгук детекторів, їхню просторову і енергетичну роздільну здатність. Процеси збирання носіїв заряду можуть бути поділені на декілька стадій: а) термалізація електронів і дірок в іонізованому треку з характерним часом порядку 10^(-12) с, б) дифузія і рух в плазменому шнурі треку з часами < ^(-9) с, в) дифузія і рух в зовнішньому електричному полі E(x,y). Щоб обчислити напруженість електричного поля, необхідно розв’язати рівняння Пуасона (13) з відповідними граничними умовами (14):

де U(x,y) - електростатичний потенціал, р(x,y) - густина заряду, є - діелектрична стала.

Граничні умови (14) відповідають випадку повністю збідненого ПЧД, який часто використовується на практиці особливо для визначення координати мінімально іонізуючої частинки (m.i.p). Будемо нехтувати неоднорідністю розподілу домішок в робочій області детектора, у цьому випадку для густини заряду маємо: р(x,y)=eNd=const, де Nd - концентрація іонізованих донорів. Напруга повного збіднення Vdep визначається з співвідношення:

Розв’язок рівняння (13), який задовольняє умовам періодичності вздовж осі x, може бути записаний в формі: (15)

де введено безрозмірні змінні: .

Підставляючи розв’язок (15) при різних значеннях N у граничні умови (14) і вирішуючи отриману систему лінійних рівнянь для невідомих коефіцієнтів Cn, можна одержати наближений розв’язок задачі, а також оцінити його збіжність.

На рис.6 представлено розподіл x-компоненти електричного поля Ex(x) розрахований для різних значень y для випадку, коли x1=0.5 і p=3.0.

Рис.6. Залежності компоненти електричного поля Ex(x,y) для різних значень y.

Вплив електричного поля на збиранні носіїв заряду залежить від характеристик детектора (геометрії – тобто параметрів 1/L, 1/h, h/L матеріалу, з якого виготовлений детектор, прикладеної напруги), а також від типу частинок, якими опромінюється детектор, та їх енергії. Скористувавшись розрахунками для E(x,y), можна оцінити роль впливу подовжньої компоненти поля Ex(x,y) на відгук детектора. У випадку мінімально іонізуючих частинок і при L/h<<1 (звичайна геометрія для більшості детекторів) при умовах повного збіднення головний вклад в збирання носіїв заряду дасть дифузійне розпливання і дрейф в полі Ey(x,y). Більш складна ситуація буде у випадку короткопробіжних частинок і більших міжсмугових відстанях. У цьому випадку вклад Ex(x,y) в розділення ті збирання заряду буде суттєвий завдяки тому, що довжина треку у цьому випадку приблизно дорівнює одиниці у безрозмірних одиницях. В цьому випадку, трек розташований в області неоднорідного розподілу електричного поля E(x,y). Такий випадок реалізовувався на експерименті [9]. Для типового детектора з розмірами L=100 мкм, l=50 мкм, h=300 мкм питомого опору n-кремнію р=1 кОм*см маємо Udepl=285 В. Електричне поле Ex(x,y) може бути порядку 300 В/см. Відносно велика величина Ex(x,y) спостерігалася в області між смужками при відстанях y<1. Отже, поле Ex(x,y) може суттєво впливати на збирання зарядів, що були генеровані короткопробіжною зарядженою частинкою.

Роль неоднорідного розподілу подовжнього електричного поля Ex(x,y) для визначення координати була підкреслена для короткопробіжних частинок в роботі [10]. Обчислення розподілу електричного поля і їхні залежності від геометрії і прикладеної напруги необхідні для оптимізації структури детектора або умов його функціювання.

В дрейфовому наближенні, коли t_drift<<t_diff, eEl>>kT (для l=50 мкм, E>5 В/см) можна зробити просту оцінку часу зібрання зарядів:

де _ рухливість носіїв заряду, інтегрування проводиться вздовж силових ліній електричного поля.

При припущенні E=ax для інтервалу –1<x<1 можна отримати час, який пройде між реєстрацією скорельованих імпульсів на сусідніх смужках: (16)

де C(Qth) функція порога реєстрації Qth і радіусу треку частинки (см [9]), x0 - координата частинки.

З рівняння (16) можна оцінити точність визначення координати, використовуючи дослідження часу збирання носіїв заряду. Для абсолютної похибки можна одержати наступний вираз:

Використовуючи наближення dC/C~dl/l, x<<l,C, остаточно запишемо: (17)

Використовуючи наступні стандартні чисельні значення параметрів для стрип – детектора dl~1 мкм, l~50 мкм, С~15 мкм (розглядається збирання дірок на смужках), середнє значення напруженості електричного поля Ex=20 В/см та dt~1 нс, остаточно отримаємо значення похибки визначення координати частки: dx=2.7 мкм.

Таким чином детальне вивчення подвійних подій в стрип – детекторі може бути використане для прецизійного визначення координати улучення частинки в проміжок між двома сусідніми смужками стрип – детектора з мікронною точністю. Наведені результати координатної чутливості стрип – детектора можна застосувати до пучка лазера і електронів [9], а також для дослідження мікроструктури детекторного матеріалу, просторових характеристик пучків електромагнітного випромінювання і заряджених частинок з діаметром поперечного перетину порядку декількох мікрон і більш.

ВИСНОВКИ

Розглянуто особливості поведінки електрофізичних властивостей високоомного особливо – чистого кремнію з метою прогнозування динаміки зміни властивостей кремнієвих детекторів, які працюють в умовах великих доз опромінення високо енергетичними частинками. Розраховано залежність концентрації вільних носіїв заряду в високоомному кремнії від дози опромінення та початкового домішкового складу. Знайдено умови, за яких буде спостерігатися інверсія типу провідності при опроміненні n-Si. Показано, що головною причиною інверсії типу провідності при опроміненні високоомного n- кремнію є видалення мілкої донорної домішки (фосфор) за рахунок взаємодії останньої з вакансіями.

Показано, що ефект стабілізації рівня Фермі при нейтроному опроміненні високоомного кремнію при дозах >10^14 н/см2 можна пояснити виникненням стабільного багатозарядного амфотерного центру, який при великих дозах опромінення стає домінуючим. Згідно проведених розрахунків такому центру в кремнії найбільш відповідає дивакансія, яка у кремнії є багатозарядним амфотерним центром, стабільним при кімнатній температурі.

Як випливає з чисельних розв’язків рівняння електронейтральності та з аналітичних виразів для граничних випадків, як положення рівня Фермі, так і значення концентрації вільних носіїв заряду при зростанні дози опромінення прямують до фіксованих значень, які визначаються виключно положенням глибоких донорного та акцепторного рівнів, які дівакансія вносить в заборонену зону кремнію, і не залежить від початкового домішкового складу високоомного кремнію.

Запропонована модель, яка описує вплив опромінення швидкими нейтронами на властивості p-i-n діодів з довгою базою, які виготовлені на основі високоомного кремнію. В цілому результати теоретичних розрахунків задовільно описують експериментальні дані. Кількісне розходження експериментальних і теоретичних кривих знаходиться в межах точності даних використаних при обчисленнях параметрів (та інше). Як теоретичні, так експериментальні дані вказують, що для досягнення більш високої чутливості необхідно брати діоди з більшою довжиною бази. Показано, що зміна рівноважного питомого опору кремнію під дією опромінення при дозах більших 2-3 кРад дає основний внесок в зсув вольт амперних характеристик p-i-n діодів.

Отримані вирази для розподілу електричного поля в позиційно – чутливому твердотільному детекторі. Був розроблений комп'ютерний код для обчислення потенціалу і електричного поля. Проведені обчислення і порівняння їх результатів з експериментальними даними вказують на істотну роль дрейфу в неоднорідному електричному полі при збиранні носіїв заряду на смужках детекторів. Показано, що з використанням аналізу часу збирання носіїв заряду може бути досягнена точність визначення координати частинки порядку декількох мікрон.

Основні результати дисертаційної роботи викладені в наступних публікаціях:

A1.

A1.

A1.

A1.

A1.

A1.

A1.

A1.

A1.

A1.

A1.

A1.

A1.

A1.

A1.

A1.

A1.

A1.

A1.

A1.

A1.

Список цитованої літератури:

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

Анохін І.Є. Вплив нейтронного та іонізуючого опромінення на електрофізичні властивості кремнієвих структур. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Науковий центр “Інститут ядерних досліджень” НАН України, Київ, 2000.

Теоретично досліджено поведінку рівня Фермі та концентрації вільних носіїв заряду в високоомному особливо чистому кремнії при опроміненні його швидкими нейтронами та вплив неоднорідного розподілу електричного поля на процеси збирання зарядів в кремнієвих стрип – детекторах при опроміненні їх короткопробіжними частинками. Показано, що ефект стабілізації рівня Фермі при нейтронному опроміненні високоомного кремнію можна пояснити виникненням стабільного багатозарядного амфотерного центру (дивакансії), який при великих дозах опромінення стає домінуючим. Показано, що зміна рівноважного питомого опору кремнію під дією опромінення при дозах більших 2-3 кРад дає основний внесок в зсув вольт амперних характеристик p-i-n діодів. Розраховано розподіл електричного поля в позиційно – чутливих кремнієвих стрип – детекторах. Показано, що для частинок, які падають у проміжок між смужками, точність визначення координат істотно залежить від геометрії детектора та розподілу електричного поля. Отримані результати були використані при розробці нового класу аварійних нейтронних дозиметрів, які знайшли практичне застосування в ІЯД НАНУ та на ЧАЕС, використовувались для визначення полів іонізуючих випромінювань на прискорювачі в ЦЕРНІ.

Ключові слова: радіаційні дефекти, дивакансія, високоомний кремній, рівень Фермі, стрип – детектор, p-i-n діод.

Анохин И. Е. Воздействие нейтронного и ионизирующего облучения на электрофизические свойства кремниевых структур. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 – физика твердого тела. – Научный центр “Институт ядерных исследований” НАН Украины, Киев, 2000.

Теоретически исследовано поведение уровня Ферми и концентрации свободных носителей заряда в высокоомном особо чистом кремнии при облучении последнего быстрыми нейтронами и влияние неоднородного распределения электрического поля на процессы собирания зарядов в кремниевых стрип–детекторах при облучении их короткопробежными частицами. Показано, что эффект стабилизации уровня Ферми при нейтронном облучении высокоомного кремния можно объяснить возникновением стабильного многозарядного амфотерного центра (дивакансии), который при больших дозах облучения становится доминирующим. Показано, что изменение равновесного удельного сопротивления кремния под действием облучения при дозах больших 2-3 кРад дает основной взнос в сдвиг вольт–амперных характеристик p-i-n диодов. Рассчитано распределение электрического поля в позиционно–чувствительных кремниевых стрип–детекторах. Показано, что для частиц, падающих в промежуток между полосками, точность определения координат существенно зависит от геометрии детектора и распределения электрического поля. Полученные результаты были использованы при разработке нового класса аварийных дозиметров нейтронного излучения, которые нашли практическое применение в ИЯИ НАНУ и на ЧАЭС, использовались для определения полей ионизирующих излучений на ускорителе в ЦЕРНЕ.

Ключевые слова: радиационные дефекты, дивакансия, высокоомный кремний, уровень Ферми, стрип–детектор, p-i-n диод.

Anokhin I. E. Effect of neutron and ionizing irradiation on physical properties of silicon structures. - Manuscript.

Thesis for scientific degree of the candidate of physical and mathematical sciences on speciality 01.04.07 - solid state physics. - Center of science "Institute for nuclear research" NAS of Ukraine, Kyiv, 2000.

Behavior of the Fermi level and concentration of free carriers in high-resistivity silicon under the fast neutron irradiation and the effect of nonuniform distribution of an electric field on processes of the charge collection in silicon strip-detectors under short-range particles irradiation have been studied theoretically. Effect of the Fermi level stabilization under neutron irradiation of the high-purity silicon may be explained by formation the stable multi-charged amphoteric center (divacancy), which becomes dominating at high doses. It has been shown that changes of equilibrium resistivity of silicon under irradiation at doses more than 2-3 kRad gives a main contribution into shift I-V characteristics of p-i-n diodes. Distribution of electric field in position-sensitive silicon strip-detectors has been calculated. It has shown, that accuracy of coordinates determination for particles incident between strips essentially depends on detector geometry and electric field distribution. The obtained results were used for development of a new class of emergency neutron dosimeters, which were used in INR NASU and Chernobyl power plant, and for measurement of radiation fields at CERN accelerator.

Keywords: radiation defects, divacancy, high-resistivity silicon, Fermi level, strip detector, p-i-n diode.