up
Search      menu
علم و تکنولوژی :: مقاله آشکار سازهاي نيمه هادي PDF
QR code - آشکار سازهاي نيمه هادي

آشکار سازهاي نيمه هادي

توصيف آشکار سازهاي نيمه هادي سه بعدي نوترونهاي حرارتي

آشکار سازي هاي نيمه هادي نوترون براي راديوبيولوژي نوترون و شمارش آن داراي اهميت بسيار زيادي هستند. آشکار سازي هاي ساده سيليکوني نوترون ترکيبي از يک ديود صفحه اي با لايه اي از يک مبدل مناسب نوترون مثل ۶LiFمي باشند. چنين وسايلي داراي بهره آشکار سازي محدودي مي باشندکه معمولاً بيشتر از ۵% نيست. بهره آشکار سازي را مي توان با ساخت يک ساختار ميکروني۳D به صورت فرو رفتگي، حفره يا سوراخ و پر کردن آن با ماده مبدل نوترون افزايش داد. اولين نتايج ساخت چنين وسيله اي در اين مقاله ارائه شده است.
آشکار سازهاي سيليکونيN با حفره هاي هرمي شکل در سطح پوشيده شده با ۶LiF ساخته شده و سپس تحت تابش نوترونهاي حرارتي قرار گرفتند. طيف ارتفاع پالس انرژي تابش شده به حجم حساس با شبيه سازي مورد مقايسه قرار گرفت. بهره آشکار سازي اين وسيله در حدود ۶.۳% بود. نمونه هايي با سايز ستونهاي مختلف ساخته شد تا خواص الکتريکي ساختارهاي سه بعدي مورد مطالعه قرار گيرد.ضرايب جمع آوري بار در ستونهاي سيليکون از ۱۰تا۸۰۰ nm عرض و ۸۰تا nm ۲۰۰ارتفاع با ذرات آلفا اندازه گيري شد. بهره آشکار سازي يک ساختار ۳D کامل نيز شبيه سازي شد. نتايج نشان از تقويت بهره آشکار سازي با فاکتور ۶در مقايسه با آشکار سازهاي صفحه اي استاندارد نوترون دارد.
● مقدمه و اهداف:
آشکار سازهاي نوتروني نمي توانند مستقيماً براي آشکار سازي نوترونهاي حرارتي به کار روند و بايد از ماده اي استفاده کرد که نوترونها را به صورت تشعشع قابل آشکار سازي در آورد. مواد مختلفي براي اين منظور وجود دارند که در بين آنها۶Li از همه مناسب تر به نظر مي رسد. واکنش گير افتادن نوترون در۶Li داراي سطح مقطع۹۴۲ b در انرژي نوتروني۰.۰۲۵۳eV است.
۶Li+n→∝(۲.۰۵MeV) +۳H(۲.۷۳MeV
مواد مبدل با پايه۶Li داراي سطح مقطع گير انداختن نورونهاي بالايي بوده و انرژي محصولات توليد شده آن نيز براي آشکار شدن به قدر کافي بالا مي باشد. هدف نهايي آشکار سازR&D که در اينجا شرح داده مي شوند ايجاد يک سنسور تصوير برداري نوترون با حساسيت بالا و قدرت تفکيک فضايي مناسب است. ما قبلاً با موفقيت چيپMedipix ۲ با چيپ سنسور صفحه اي پوشيده با مبدل نوترون۶Li را آزمايش کرده ايم. قدرت تفکيک فضايي چنين وسيله اي در حدود ۶۵nm(نشانه اي از FWHMتابع پخش خطي) به خوبي با ابزارهاي تصوير برداري نوترون قابل رقابت است. نسبت سيگنال به نويز(SNR) آشکارسازي سيليکون نيز بالاتر از آشکار سازهاي نوتروني فعلي است. با اين وجود بهره آشکار سازي چنين آشکارسازهاي نيمه هادي صفحه اي(نسبت تعداد آشکار شده به تعداد نوترون برخوردي) در حدود۵% محدود مي باشد. بهره آشکارسازي را مي توان با ايجاد حفره يا سوراخ هايي (ساختار ۳D ) در بدنه آشکار ساز سيليکون افزايش داد.
آشکار سازي آشکارسازهاي نوتروني صفحه اي:
براي پيش بيني بهره آشکارسازي ساختار صفحه اي از يک بسته نرم افزار شبيه سازي مونت کارلو استفاده شد. اين بسته ترکيبي بود ازMCNP ۴C (شبيه سازي انتقال نوتروني) با SRIM TRIM (قدرت توقف) و کد مونت کارلو C++ متعلق به خودمان(شبيه سازي انتقال انرژي، طيف ارتفاع پالس، بهره آشکار سازي و....)
بهره آشکار سازي را در مقابل ضخامت ماده مبدل۶LIF (۶LI غني شده تا ۸۹%)، اول براي تشعشع قدامي که منحني مقدار بيشينه ۴.۴۸% را در ضخامت ۷mg cm۲ نشان مي دهد. بهره آشکار سازي در ضخامتهاي بيشتر از اين حد کاهش مي يابد چون ذرات آلفا و تريتيوم توليد شده در سطوح دورتر LiFاز مرز Si LiF قادر به رسيدن به حجم حساس نيستند. به علاوه تعداد بيشتر نوترونها در نزديکي سطح خارجي مبدل جذب مي شوند.
در ضخامتهاي بالا تراز۷mg cm۲، بهره آشکار سازي در حدود ۴.۹۰%ثابت باقي مي ماند. نوترونها به صورت قابل ترجيحي در نزديکي مرز مبدل نيمه هادي جذب مي شوند )
طيف انرژي تابشي در آشکار ساز صفحه اي ساده اندازه گيري شد. نمونه مورد استفاده يک آشکارساز سيليکوني ۵×۵mm۲و ۳۰۰µm ضخامت بود. مقاومت حجم n type در حدود ۵kΩcm بود. بخشي از نمونه با لايه اي از۶LiF با ۸۹% ليتيوم پوشانده شده بود(به اين دليل فقط بخشي از آن پوشانده شده بود تا بخشي به صورت فضاي باز براي کاليبراسيون انرژي با ذرات آلفاي منبع کاليبراسيون در اختيار داشته باشيم). طيف حاصل را با نتايج شبيه سازي مونت کارلو مقايسه کرديم. شبيه سازي به خوبي با نتايج اندازه گيري شده مطابقت داشت. نمونه از پشت با دسته پرتو نوترون حرارتي مورد تابش قرار گرفت. اندازه گيريها در کانال افقي (هدايت نوترون) راکتور تحقيقاتي هسته اي LVR ۱۵ در موسسه فيزيک هسته اي دانشگاه چک در Rez در نزديکي پراگ انجام پذيرفتند. فلوي نوترون در حدود۱۰۶cm ۲s ۱در قدرت راکتور۸MW بودند.
آلفا و تريتون توليد شده از واکنش گير انداختن نوترون حرارتي اغلب در جهتهاي متضاد به حرکت در مي آيند آشکارساز صفحه اي ساده يکي از دو ذره الفا يا تريتون را آشکار مي کند نه هر دو را. بنابر اين طيف انرژي تابشي هرگز داراي انرژي بالاتر مربوط به تريتون نخواهد بود.
● بهره آشکارسازي آشکارسازهاي داراي حفره هرمي:
نمونه آزمايشي دوم داراي آرايه اي از حفره هاي هرمي معکوس ايجاد شده بوسيله قلم زني سيليکون با KoH بودپايه هرم به ابعاد ۶۰×۶۰ µm۲ و به عمق ۲۸mm فاصله بين هرم ها نيز۲۳µm بود. اندازه چيپ مجدداً ۵×۵mm۲ با ضخامت۳۰۰µm و مقاومت در حدود۵kΩcm بود. حفره ها داراي دو سطح بين مبدل نوترون وآشکارساز بودند. برعکس طيف آشکار سازها صفحه اي در اينجا طيف داراي وقايع با انرژي بيش از۲.۷۳MeV است چون اگر واکنش در ناحيه نزديک به نوک هرم رخ دهد، هر دو ذره (آلفا تريتون) آشکار خواهند شد.
براي پيش بيني بهره آشکار سازي نوترونهاي حرارتي در سطح حفره هاي هرمي نيز از شبيه سازي استفاده شد.
در هر دو مورد آشکارساز از هر دو جهت تحت تابش قرار گرفت. حفره هاي هرمي بهره آشکارسازي را از ۴.۹۰%به ۶.۳۰%افزايش دادند که به معناي افزايش نسبي ۲۸%مي باشد.
● بهره آشکارسازي آشکارسازهاي۳D نوترون:
فن آوري نيمه عادي امکان ايجاد ساختارهاي ۳D در نيمه هاديها را فراهم مي کند که مي توان باعث افزايش سطح بين مبدل نوترون و حجم حساس آشکارساز شود. چنين ژئومتري امکان استفاده از حجم بزرگ تر مبدل نوترون را ضمن حفظ احتمال زياد آشکارساز ذرات ثانويه فراهم مي کند و لذا بهره آشکارسازي نوترونهاي حرارتي در مقايسه با آشکارسازهاي صفحه اي يا داراي حفره هاي هرمي افزايش مي يابد.
عمق پروب در هر دو مورد۲۳۰mm بود. منحني ها نشاندهنده وابستگي شبيه سازي بهره آشکار سازي نوترون حرارتي به عرض يا قطر حفره دارند. هر منحني براي چگالي متفاوت ماده مبدل پوششي رسم شده است. بهره آشکار سازي د رحدود۳۳% در مقايسه با آشکارساز صفحه اي ساده تقريباً۶ برابر شده است.
● آزمايشهاي ساختارهاي سه بعدي:
▪ توصيف نمونه ها و اندازه گيريها: شبيه سازي نمي تواند به اين سوال پاسخ دهد که تا چه قدر نازکي ديواره هنوز امکان جمع آوري بار کافي براي ايجاد سيگنال الکتريکي کافي را دارد. نمونه ها در کارخانهStanford Nanofabrication ساخته شدند تا تحت آزمايش با ذرات آلفا از۲۴۱Am(۵.۴۸MeV) قرار بگيرند و بهره جمع آوري بار (CCE) اين ساختارها تعيين شود. همه نمونه ها داراي ضخامت۳۰۰µm بوده و حاوي آرايه هايي از ستون ها با قطر متفاوتي(از۸۰۸µm ۸۰۸× تا۱۰×۱۰µm) مي باشند. دو سري از نمونه ها داراي ستونهايي با ارتفاع ۸۰ و۲۰۰µm بودند.مقاومت پخش n type در حدود۲kΩcm بود. اتصال Pnدر پشت نمونه قرار داشت. ستونها با يک پروب در ارتباط بودند . هر ستون اندازه گيري شده در هوا تحت تابش ذرات آلفا از۲۴۱Am قرار گرفته و ارتفاع طيف پالسي اندازه گيري شد(فاصله بين منبع و نمونه در حدود۱cm بود و لذا آلفا قبل از برخورد در حدود از ۹۵۰KeVانرژي را از دست مي داد).ستونها به صورت مايل تحت تابش قرار گرفتند تا تعداد ذرات آلفاي برخوردي به نوک حفره حداقل شود. هرچه ستونها کوچکتر بودند، زمان اندازه گيري طولاني تري مورد نياز بود. براي دستيابي به زمان اندازه گيري منطقي(دهها ساعت) ستون از سمت پهن ترشان تحت تابش قرار گرفتند. باياس به کار رفته در تمام اندازه گيريها ۶۰V بود.
▪ نتايج اندازه گيري: اولين طيف مربوط به ستون۸۰۸µm ۸۰۸× (بزرگترين ساختار) است. طيف دوم مربوط به نازک ترين ستون تحت اندازه گيري۷۲×۱۰µm ۳ (ستونهاي کوچکتر به اين دليل مورد اندازه گيري قرار نگرفتند که اتصال آنها با نوک پروب از نظر مکانيکي دشوار است).
ذرات آلفاي۲۴۱Am قبلاً تمام انرژي خود را در چنين ستونهاي نازکي واگذار نکرده اند.برد آلفاي۵.۴۸MeV درSi در حدود۲۸µm است .
با اين وجود مي توان به اين نتيجه رسيد کهCCE تقريباً۱۰۰% در اندازه ستون ۳۰µm است و حتي ساختاري با عرض۱۰µm نيز مقدار قابل توجهي از بار را به عنوان يک شمارنده ذرات سنگين جذب مي کند. براي اندازه گيريCCE در ستونهاي نازک تر مي توان از يک منبع به خوبي کوليميت شده ذرات باردار سنگين استفاده کرد.
● بحث و بررسي:
خواص آشکار سازي آشکار سازهاي نوتروني صفحه اي،صفحه اي با حفره هاي سطحي هرمي (نيمه صفحه اي) و ۳D شبيه سازي شدند. همه انواع آنها داراي مبدل بودند. شبيه سازي بهره آشکار سازي ۴.۹% (آشکارسازي صفحه اي)، ۶.۳% (آشکارساز هرمي) و بيش از ۳۳%براي ساختارهاي۳D را پيش بيني کرد. شبيه سازي با اندازه گيري طيف ارتفاع پالس در موارد صفحه اي و نيمه صفحه اي اعتبار سنجي شد. با استفاده از طيف سنجي ذرات آلفا مشخص شد که حتي ساختارهاي ۳D با ۱۰µm عرض و ارتفاع ۸۰µm نيز مي توانند به عنوان شمارندگي نوترون در ساختارهاي۳D پر شده با مبدل نوترون تمرکز خواهند کرد.

آشكارسازي ذرات عبارتست از فرآيندي كه در آن خصوصياتي مانند جرم ، انرژي ، بار الكتريكي ، مسير حركت و ... و در مجموع نوع يك ذره حامل انرژي كه در واكنش‌ها ...

مقدمه : نيمه رسانا ها موادي با كاربردهاي بسيار در دنياي امروز به شمار ميروند .در اين جا سعي بر اين است كه نوعي از نيمه رسانا بنام مواد OLED كه داراي د ...

ترانزيستور نيمه هادي هاي نوع N: اعمال ولتاژ با پلاريته موافق باعث عبور جريان از يک پيوند PN مي شود و چنانچه پلاريته ولتاژتغيير کند جرياني از مدار عبور ...

آشکارساز تناسبي نوعي آشکارساز گازي با دو الکترود ، يکي استوانه و يکي سيمي در راستاي محور استوانه است. وقتي آشکارساز در ناحيه اي (ازلحاظ ولتاژ بين الکت ...

يکي از مهمترين کميتهاي مشخصه مواد راديو اکتيو ، نيم عمر آنها مي‌باشد. يعني مدت ‏زماني که در طي آن نصف ماده اوليه تجزيه مي‌شوند. تحقيقات انجام شده نشان ...

اداره ملي هوا-فضاي آمريکا (ناسا) اين روزها پنجاهمين سالگرد تاسيس خود را با انجام کاري جشن گرفته که در آن از هر کار ديگري ماهرتر است: تبليغات پر سر و ص ...

جوش سرسياه-کمتر کسي است که در طول زندگي اش جوش نزده باشد. اما بيشتر مردم نمي دانند اين جوش ها از کجا مي آيند و چگونه بايد با آنها مقابله کرد.... اگر د ...

نيمه رساناها (Semi-Conductors) در زندگي ما و بهتر بگوييم در قدم گذاردن بشر به عصر ديجيتال و فيزيک و الکترونيک نوين؛ نقش تاريخي ايفا کرده اند. نيمه رسا ...

دانلود نسخه PDF - آشکار سازهاي نيمه هادي