Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Вплив нейтронного та іонізуючого опромінення на електрофізичні властивості кремнієвих структур

АНОХІН ІГОР ЄВГЕНОВИЧ

УДК 621.315.592 : 537.222

Спеціальність - 01.04.07 - фізика твердого тіла

Науковий керівник - кандидат фіз.-мат. наук

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,

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.

кремнієвий нейронний опромінення

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:

розрахунок залежності положення рівня Фермі та концентрації вільних носіїв заряду в високоомному кремнії від дози опромінення швидкими нейтронами;

розрахунок дози опромінення швидкими нейтронами високоомного кремнію, коли відбувається інверсія типу провідності;

розрахунок зсуву вольт - амперних характеристик кремнієвих p-i-n структур в залежності від дози опромінення швидкими нейтронами;

розрахунок розподілу електричного поля в кремнієвих стрип - детекторах в залежності від дози опромінення та геометрії детектора, вивчення впливу неоднорідного розподілу електричного поля на процеси розділення та збирання зарядів з треку іонізуючої частинки.

Наукова новизна. В дисертаційній роботі вперше отримані такі результати:

Виникнення багатозарядного амфотерного центру в високоомному кремнії при опроміненні його швидкими нейтронами приводить до стабілізації рівня Фермі при великих дозах опромінення. Згідно проведених розрахунків такому центру в кремнії найбільш відповідає дивакансія.

Зміна рівноважної питомої провідності кремнію при опроміненні його швидкими нейтронами при дозах більших 2-3 кРад дає основний внесок в зсув вольт амперних характеристик p-i-n діодів. Використання довгих p-i-n діодів, виготовлених на основі високоомного кремнію, дозволяє значно розширити діапазон доз швидких нейтронів, які можуть бути виміряні за допомогою цих діодів.

Дрейф в подовжньому електричному полі наряду з дифузією істотно визначає ефективність розділення і збирання зарядів в кремнієвих стрип - детекторах при опроміненні їх короткопробіжними частинками.

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:

проведені аналітичні і чисельні розрахунки залежності положення рівня Фермі та концентрації вільних носіїв заряду в високоомному кремнії від дози опромінення швидкими нейтронами;

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.

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.

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

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:

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.

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].

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 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.

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.

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:

Вираз для напруженості електричного поля E має вигляд:

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.

Таким чином, для розрахунку ВАХ необхідно знати розподіл концентрації електронів і дірок в базі діода, для цього необхідно вирішити рівняння 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].

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]: .

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 можна обчислити падіння напруги Vb при заданому струмі і його зсув в залежності від дози опромінення нейтронами Ф.

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).

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.

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 < 10^(-9) с, в) дифузія і рух в зовнішньому електричному полі E(x,y).

Граничні умови 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:

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

Розподіл x-компоненти електричного поля Ex(x) розрахований для різних значень y для випадку, коли x1=0.5 і p=3.0.

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:

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

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

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:

1 Анохин И.Е. и др. Влияние нейтронного облучения на вольт-амперные характеристики P-I-N диодов. // Электронная техника сер.2, 6, 1989, 203

2 A.B.Rosenfeld, I.E. Anokhin, O.S.Zinets, P.G.Litovchenko at all. P-I-N diodes with a wide measurement range of fast neutron doses. // Radiation Protection Dosimetry, 33, 1/4, 1990, 175-178

3 П.Г.Литовченко, А.Б.Розенфельд, В.И.Хиврич, И.Е.Анохин и др. Использование структур на основе кремния как датчиков в аварийной дозиметрии смешанных гамма-нейтронных полей. // Весці Акадэміі навук БССР, сер.фізіка-матэматычных навук, 3, 1991, 93-98

4 V.I.Khivrich, P.G.Litovchenko, I.E.Anokhin, O.S.Zinets at all. High purity silicon as a basic material for manufacturing of radiation detectors and neutron integral dosimeters. // IEEE Trans. On Nucl.Sci. NS-43, N 6, 26872692, 1996.

5 A.Rosenfeld, O.Zinets, I.Anokhin, P.G.Litovchenko at all. Application of P-I-N diodes and MOSFET for dosimeter in gamma and neutron fields. // Radiation Protection Dosimetry, Vol.84, Nos.1-4, pp. 349-352, 1999.

6 Анохин И.Е., Зинец О.С., Литовченко П.Г., Хиврич В.И. и др.Влияние облучения быстрыми нейтронами на характеристики длинных p-i-n диодов. // Препринт КИЯИ-88-45,1988.

7 A.B.Rosenfeld, O.S.Zinets, I.E.Anokhin, P.G.Litovchenko at all. Silicon semiconductor dosimeters for mixed nuclear radiation fields. // New Trends in Nuclear Physics, Proc. of the III Kiev's intern. school on Nuclear Physics, 2, 1992, 458-471.

8 P.G.Litovchenko, V.M.Pugatch, Yu.N.Pavlenko, I.E.Anokhin et all. Testing of the silicon strip detectors with 225 MeV electron beam. // New Trends in Nuclear Physics, Proc. of the III Kiev's intern. school on Nuclear Physics, 2, 1992, 472-478

9 I.E.Anokhin. Calculation of the electric field distribution in Si strip detector. // New Trends in Nuclear Physics, Proc. of the III Kiev's intern. school on Nuclear Physics, 2, 1992, 479-484

10 I.Anokhin, P.Litovchenko, V.Pugatch et all. Development of silicon detectors for heavy ions. // New Trends in Nuclear Physics, Proc. of the III Kiev's intern. school on Nuclear Physics, 2, 1992, 485-492.

11 Anokhin I.E., Zinets O.S. Distribution of electric field and charge collection in silicon strip detectors. // Матеріали щорічної наукової конференції інституту ядерних досліджень, 1995, 161-164.

12 M.Reinhard, I.Anokhin, O.Zinets, P.Litovchenko et all. Radiation Hardness Study of High Purity Detector Grade silicon. // IEEE Proceedings 0-7803-3374-8/97, 479-482, 1997.

13 І.Є.Анохін, О.С.Зінець. Стабілізація рівня Фермі в високочистому кремнії при нейтроному опроміненні. // Збірник наукових праць інституту ядерних досліджень, Київ-1999, с.194-196.

14 A.B.Rosenfeld, I.E.Anokhin, P.G.Litovchenko et all. P-I-N diodes with a wide measurement range of fast neutron doses. // 9th Int. Conference on Solid State Dosimetry (abstract) 1989

15 Litovchenko P.G., Pugatch, Nemets, Anokhin I.E. et all. Evolution of alfa particle tracks in silicon strip detectors. // 15th Int. Conference on Particle Tracks in Solids (abstract) 1990.

16 И.Е.Анохин, В.М.Пугач, Зинец О.С. Influence of high intensity irradiation on charactristics of silicon strip detectors. // 4-я Международная конференция "Применение полупроводниковых детекторов в ядерно-физических задачах”, Рига. 1995

17 И.Е.Анохин, В.М.Пугач, Зинец О.С. Influence of radiation damages on the charge collection in silicon strip detectors for short range particles. // Наукова конфе-ренція "9 років після Чорнобильської аварії", Київ,ІЯД, квітень 1995. Тези доповідей. 1995, с.5.

18 A.B.Rosenfeld, V.Khivrich, I.E.Anokhin ,M.Carolan et all. Application of PIN diodes and MOS structures for dosimetry in gamma and neutron radiation fields. // Intern. Conference on Nuclear Data for Science and Technology. Trieste, Italy,May 1997. Abstracts p.284.

19 A.B. Rosenfeld, I.E. Anokhin, J. Shwank, P. Winokur. A one-crystal PINMOS sensor for dosimetry in mixed gamma-neutron radiation fields. // Intern. Conference on Nuclear Data for Science and Technology. Trieste, Italy,May 1997. Abstracts p.205.

20 A.Rosenfeld, P. Bradley, I. Anokhin, O. Zinets et all. Application of pin-diodes and mos-structures for dosimetry in gamma and neutron radiation fields.// 12th Solid State Dosimetry Conference, SPAIN, July 5th - 10th, 1998, Abstracts (INS12), p.53.

21 I.E.Anokhin, O.S.Zinets. Distribution of electric field and charge collection in silicon strip detectors. // 5th Conference on Position Sensitive Detectors, London, Sept.13-17, 1999.

22 Список цитованої літератури:

23 I.Tsveybak, W.Bugg, J.A.Harvey, J.A.Walter. Fast Neutron-Induced Changes in Net Impurity Concentration of High-Resistivity Silicon. // IEEE Trans. on NS, v.39, No 6, p.1720-1729.

24 Конозенко И.Д., Семенюк А.К., Хиврич В.И. // Радиационные эффекты в кремнии. Киев, Наукова думка, 1974. 199 с.

25 Pitlz D., Ziock H.J. et al. Type inversion in silicon detectors. // NIM, A311 (1992), p.98-104.

26 Kleinman D.A. The forward characteristic of the p-i-n diode. // Bell Syst.Tech.J.-1956.-V35.-№3.-P.685-706

27 J.M.Swartz, M.Q.Thurston. Analysis of the Effect of Fast-Neutron Bombardment on the Current Voltage Characteristic of a Conductivity-Modulated p-i-n Diode. // J.Appl.Phys. V. 37, No. 2,pp. 745,(1965)

28 Buhler M.G. Desine curves for predicting fast - neutron indused resistivity changes in silicon. // Proc.IEEE.-1968.-v.56.-№10.-P.1741-1743.

29 J.Kemmer, G.Lutz. New detector concepts. // NIM A253, 365-377, 1987.

30 W.Hofmann. An experiment to study CP violation in the B system using an internal target at the HERA proton ring. // NIM.-1993,-A333,-P.153-166.

31 Пугач В.М., Литовченко П.Г., Розенфельд А.Б., Зинец О.С. и др. Субмикронная позиционная чувствительность полупроводниковых стрип - детекторов // УФЖ.-1990.-Т.35.-№1.-С.12-19

32 A.B.Rosenfeld, V.M.Pugach, O.S.Zinets at all. Strip detector for short-range particles. // NIM A326, 234-238, 1993.

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.

Размещено на Allbest.ru