CC BY
90
УДК 621.315.593
С.М. Отажонов, Н. Жураев, Д.Д. Алижанов ФерГУ, Фергана, СГГА, Новосибирск
ФОТОДЕТЕКТОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ РЕНТГЕНОВСКОГО И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Целью работы является повышение фоточувствительности к излучению, вызывающему люминесценцию селенида цинка (ZnSe) к ультрафиолетовым, рентгеновским лучам и лазерному излучению путем прямой передачи фотосигнала от сцинтиллятора к фотоприемнику за счет накопления зарядов на поверхности фотоприемника и исключение источника внешнего напряжения.
S.M. Otazhonov, N. Zhuraev, D.D. Alizhanov Fergana state university, Uzbekistan
PHOTODETECTOR FOR X-RAY AND ULTRAVIOLET RADIATION RECORDING
The promising pair of semiconductors CdTe-ZnSe have been created. On their basis scintillation photodetectors of ionizing radiation (X-ray and ultraviolet) have been developed. Thereby the efficiency increases by 80 %.
Расширение функциональных возможностей фотодетектора по сравнению с известными [1] решается тем, что фотодетектор излучения, содержащий сцинтиллятор, снабжен фотоприемником и оптически связаны между собой, причем фотоприемник выполнен в виде АФН-пленки на основе поликристалла теллурида кадмия, легированного серебром, а сцинтиллятор выполнен в виде пластины из монокристалла селенида цинка.
Способ изготовления сцинтилляционного фотодетектора излучения заключается в следующем: Пластину из селенида цинка помещают в камеру при вакууме 133,32-(10'4-10'5) Па под углом 40-45° к направлению молекулярного пучка и нормалью к подложке, нагревают ее до температуры 2600С, затем термическим напылением наносят слой теллурида кадмия со скоростью конденсации 0,35 нм/с толщиной 1,2 мкм, проводят легирование серебром из отдельного тигля (для компенсации электропроводности теллурида кадмия и создания глубоких уровней в запрещенной зоне, участвующих в возникновении фото-ЭДС). Масса легирующей примеси при этом составляет
0.3 ± 0.1 ат. % Ag от массы полупроводникового материала.
На рис. 1 приведена схема сцинтилляционного фотодетектора излучения. Принцип действия сцинтилляционного фотодетектора излучения заключается в следующим. Заряженная частица проходит через сцинтиллятор, ионизирует атомы и молекулы и возбуждает их. Возвращаясь в исходное состояние,
ионизированные атомы и молекулы испускают фотоны в виде квантов света и попадают на поверхность фотоприемника 2-АФН-пленку теллурида кадмия за счет накопления зарядов и возникновения на ней напряжение без приложения внешнего поля. Этот фотосигнал напрямую передаётся от сцинтиллятора 1 к фотоприемнику 2, так как они оптически связаны между собой. Для определения фотосигнала сцинтилляционный фотодетектор излучения освещают ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, вызывающими люминесценцию 7^е. Лазерный или рентгеновский луч, проходя через сцинтиллятор 1, переводит - электроны из валентной зоны в зону проводимости или с глубоких уровней в зону проводимо сти [2].
Возвращаясь в исходное состояние (происходит излучательная
рекомбинация), они испускают фотоны в виде квантов света и прямо попадают на АФН-пленку CdTe, при этом
возникает фотосигнал, который
снимают с контактов и регистрируют электрометром.
АФН-пленка CdTe детектирует люминесценцию селенида цинка с малыми потерями на отражение от границы 7^е - CdTe.
Рис. 1 Схема сцинтилляционного фотодетектора излучения на основе Te-ZnSe: 1-ZnSe, 2-CdTe:Ag, 3-контакты
Коэффициент отражения рассчитывают по формуле
0,1.
1\-п2 3,4 - 2,6 0,8
?\+п2 7 7 '
где R - коэффициент отражения от границы раздела между 7^е и CdTe; ^-показатель преломления 7^е; п2- показатель преломления CdTe.
Коэффициент отражения известных сцинтилляционных фотодетекторов учитывает отражение на границе 7^е и воздуха (п0=1), тогда R=0,5. В нашим случае потеря фотосигналов на отражение незначительна по сравнению с известными фотодетекторами. Оценим изменение эффективности
фото детектора с АФН-пленкой:
Ья = Я • Ьо,
ик=(К-ДЕ0 Ь0,
где Я - коэффициент отражения, Ь0 - интенсивность падающего света,
/ ■ /-
т =
ьп
= 1 -к.
где Т - коэффициент пропускания. Тогда
Г' =
£„-(Д-АЯ)£0
Ьп
= 1-(Д-ДЯ),
, = 00 = Ь(*^.1(Х»4 =
Т 1 -к
Отсюда
ш
\-Я
•100%
1
Ах =
Дх =
АТ _ Ш Т ~1-К’
°'4 =0.8;
1-0,5
т. е. эффективность на 80 % увеличивается.
Для определения значения фотосигнала фотодетектор на основе АФН-пленки теллурида кадмия освещают ультрафиолетовым светом со стороны сцинтиллятора 7^е и спектрометром.
СФ 26 измеряют фото-ЭДС, она была равна 200 мВ (без АФН-слоя -120мВ). Затем сцинтиллятор возбуждают мягким рентгеновскими лучами (УРС-60 с трубкой 0,4 ВСВ-4С, напряжение на трубке равно 20 кВ), при этом оказалась, что амплитуда сигнала равна 500 мВ (без АФН-слоя -280 мВ). Фотосигнал между контактами измеряют электрометром.
Для определения фоточувствительности структуры CdTe-ZnSe рассчитывают оптическую энергию ионизации глубоких уровней, измеряют спектральную характеристику тока короткого замыкания слоя теллурида кадмия легированного серебром, которая в интервале энергии квантов света Ьу =0,45-2,7 эВ обусловлена АФН-пленкой теллурида кадмия (рис. 2). В слое теллурида кадмия фото-ЭДС возникает как при возбуждении зона-зона, так и из глубоких уровней с энергией оптической ионизации, равной 1,04; 1,15; 1,32 эВ, чем охватываются практически все полосы люминесценции селенида цинка (рис. 2, кривая 2).
Рис. 2. Спектры 1фп,, 1кз АФН-плено СёТе:Л§ на гетероструктуре СёТе^^е при
фронтальном освещении
Для определения фоточувствительности АФН-пленки теллурида кадмия, легированного серебром (CdTe:Ag), измеряют спектры в режимах
фотопроводимости при фронтальном освещении. Кривая 1 на рис. 3.
характеризует полярность приложенного поля, которая совпадает с
полярностью АФН-пленки теллурида кадмия; кривая -2 - когда полярность приложенного поля противоположна. Аномальное фотонапряжение пленки теллурида кадмия определяют путем измерения фотопроводимости в зависимости от направления приложенного извне электрического поля. Приложенное электрическое поле стимулирует возникновение АФН-эффекта. В области края поглощения теллурида кадмия возникает большой АФН,
приводящий к изменению знака фотопроводимости. Выделенный фотосигнал АФН совпадает со знаком фото-ЭДС (кривая 1).
Это обусловлено тем, что приложенное электрическое поле втягивает носители в область асимметричных барьеров, из-за чего возрастает фото-ЭДС (кривая 1).
Управляя влиянием барьеров на поверхности CdTe и у поверхности 7^е, можно получать как одинаковые, так и разные знаки фото-ЭДС в двух областях энергии квантов света, равных 1,4^-1,7 эВ и 1,9^-2,3 эВ (рис. 3).
Рис. 3. Спектры 1фп АФН-пленок СёТе:Л§, полученных на 7пБе, при фронтальном освещении: 1- когда полярность приложенного поля совпадает с полярностью АФН и противоположно -2. ивн=14В
Важной особенностью АФН-пленки на основе теллурида кадмия является её автономный характер. Это представляет особый интерес в пленочной оптоэлектронике в качестве преобразователя излучения при ультрафиолетовых и рентгеновских излучениях в широком диапозоне принимаемого электромагнитного излучения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рахимов, Н.Р Исследование фотоэлектрических свойств АФН-пленок теллурида кадмия с серебром и разработка оптоэлектронных приборов на их основе: дис. канд. техн. наук. - Ташкент, 2001.- 140 с.
2. Рыжиков, В.Д. Сцинтилляционный фотодетектор излучения //Поверхность Рентгеновские, синхроннотронные и нейтронные исследования.-2002.- № 3.- С. 85-89.
© С.М. Отажонов, Н. Жураев, Д.Д. Алижанов, 2011
