СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №9/2015

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 14 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2015 ки/сотни кэВ – единицы эВ, которая ионизирует кристаллическую решёт- ку GaAs (генерация, в конечном счёте, электронно-дырочных пар). В итоге, учитывая классические постулаты генерации по зонной тео- рии, можно зафиксировать несколь- ко механизмов генерации носителей заряда (электронно-дырочных пар) в зависимости от плотности пото- ка и флюенса протонов (N p cм –2 × с) и фотонов высоких, средних и низ- ких энергий. При «стандартных» уров- нях амфотерной примеси ≈ (0,5 – 5) × × 10 15 см –3 имеем концентрацию крем- ния на поверхности i-GaAs ≈ (0,5 – 5) × × 10 14 см –2 . При ионизации протоном ОПЗ средняя длина пробега прото- на ≈ 1 мкм / 80 кэВ (у α -частиц 1 мкм ≈ 250 кэВ, у электронов (см. [4]) – 1 мкм ≈ ≈ 1,2 кэВ. То есть если сечение захвата электронов в GaAs при 100 кэВ составля- ет ≈ 10 –25 – 10 –26 см 2 , то в очевидной про- порции увеличивается сечение захвата у протонов α -частиц при тойже энергии. При энергии ≈ 1,0 МэВ протон про- никнет на глубину более чем 20 мкм. Энергия протонов при конечной транс- формации в энергию генерации зона/ зона или глубокие уровни/зона/зона при E p = 1,0 МэВ будет инвертирована в энергию не менее 2 × 10 5 электрон- но-дырочных пар, что при нанотре- ке ≈ 1,0 нм 2 составит концентрацию ≈ 2 × 10 17 электронов/см 3 , но сечение ионизированного трека, фактически, на порядки меньше. Другими словами, плотность электронно-дырочной плаз- мы в филаментарных каналах (треках) может оказаться близкой к вырожден- ной ( ∼ 10 20 см –3 ). Необходимо учитывать, что часть энергии протона при упругом стол- кновении с кристаллической решёт- кой GaAs будет рассеиваться на энер- гию дефектообразования пар Френке- ля, субнанокластерных образований и так далее. То есть на радиационное легирование полупроводника, что приведёт к уменьшению чувствитель- ности датчика при многократных воз- действиях. В более ранних публикациях о свой- ствах p–i–nGaAs-структур [6] было пока- зано, что прямосмещённые p–i–n диоды выдерживают максимальные темпера- туры до 650К. Следовательно, используя повторяющиеся прямые импульсы тока на p–i–n структуре с плотностью сотни ампер/см 2 , можно в некоторой степени «отжечь» i- и π -i-области p–i–n структу- ры, легированные высокоэнергетичны- ми протонами (не затрагивая перифе- рию кристалла), которая выдержива- ет максимальные температуры почти вплоть до 400 ° С. Необходимо отметить, что данные датчики можно подразделить на «кар- манные» и промышленные. «Карман- ные» датчики используются как в режи- ме бета-ЭДС, так и в режиме обратно- го смещения p–i–n GaAs-структуры (до 40 В). Конечно, чувствительность датчика будет определяться энерги- ей, плотностью потока и флюенсом нейтронов. Промышленные датчики могут быть построены как на обрат- носмещённых (до 1000 В) COOL гете- ро- p–i–n GaAs-структурах, так и на лавинно-доменых n–p–n GaAs «два в одном» транзисторах [7], которые будут иметь высочайшую чувствитель- ность (инжекционно-доменный меха- низм лавинизации). Трансмутационные p–i–n GaAs высокотемпературные датчики с рабочей температурой эксплуатации окружающей среды до +300°С Так называемые «трансмутационные» датчики быстрых нейтронов создают- ся на основе (n,p) типа ядерной реак- ции синтеза из ядер 10 5 В изотопа угле- рода 14 6 С с последующим излучением высокоэнергетичных протонов в p–i–n GaAs-структуру. 10 5 В/ p–i–n GaAs датчи- ки предназначены для сенсорики реак- торных нейтронов со средней энерги- ей ∼ 2,0 МэВ. Ядерный синтез на основе быстрых нейтронов и 10 5 В выглядит так [8]: (n, p) 10 5 В + 1 0 n → 14 6 С + p + 0,63 МэВ. Как известно, сечение захвата ( σ , в барнах = 10 –24 см 2 ) 10 5 В сильно зави- сит от энергетики нейтрона. Медлен- ные нейтроны имеют огромное сече- ние захвата в 10 5 В – около σ = 3840 барн [1, 2] при E 1 0 n ≈ 10 эВ, и оно изменяется по закону 1/V, где V – скорость медленных нейтронов. С ростом энергии нейтро- на (скорости нейтрона) сечение захва- та 10 5 В постепенно убывает до значения в единицы и доли единицы барн при превышении E 1 0 n > 1,0 МэВ. Углеродная трансмутация бора, сопровождаемая излучением пото- ка протонов, происходит при значи- тельных энергиях быстрых реактор- ных нейтронов порядка 2–10 МэВ. В качестве борной мишени могут быть использованы такие перспек- тивные термостойкие материалы, как: Рис. 1. Структура p–i–n GaAs-чипа-сенсора быстрых нейтронов с водородным конвертором Рис. 2. Конструктивное исполнение p–i–n GaAs-датчика в молибденово-керамической капсуле с размерами ≈ 15 × 15 × 5 мм 3 прямого (протоно-вольтаика) и обратного (от 30 до 1000 В) действия