Большая Советская Энциклопедия (ПО)

Дальнейший шаг в развитии П. д. был сделан возвращением к Ge, обладающему большим порядковым номером Z и, следовательно, большей эффективностью для регистрации гамма-излучения . Дрейфовые германий-литиевые плоские (планарные) П. д. применяются для регистрации g-квантов с энергией в несколько сотен кэв. Для регистрации g-квантов с энергией до 10 Мэв используются коаксиальные германий-литиевые детекторы (рис. , в) с чувствительным объёмом достигающим 100 см³ . Эффективность регистрации g-квантов с энергией < 1 Мэв ~ десятков % и падает при энергиях >10 Мэв до 0,1—0,01%. Для частиц высоких энергий, пробег которых не укладывается в чувствительной области, П. д. позволяют, помимо акта регистрации частицы, определить удельные потери энергии dEldx, а в некоторых приборах координату х частицы (позиционно-чувствительные П. д.).

Недостатки П. д.: малая эффективность при регистрации g-квантов больших энергии; ухудшение разрешающей способности при загрузках > 10⁴ частиц в сек; конечное время жизни П. д. при высоких дозах облучения из-за накопления радиационных дефектов (см. Радиационные дефекты в кристаллах ). Малость размеров доступных монокристаллов (диаметр ~ 3 см, объём ~ 100 см³ ) ограничивает применение П. д. в ряде областей.

Дальнейшее развитие П. д. связано с получением «сверхчистых» полупроводниковых монокристаллов больших размеров и с возможностью использования GaAs, SiC, CdTe (см. Полупроводниковые материалы ). П. д. широко применяются в ядерной физике, физике элементарных частиц, а также в химии, геологии, медицине и в промышленности.

Лит.: Полупроводниковые детекторы ядерных частиц и их применение, М., 1967; Дирнли Дж., Нортроп Д., Полупроводниковые счетчики ядерных излучений, пер. с англ., М., 1966; Полупроводниковые детекторы ядерного излучения, в сборнике: Полупроводниковые приборы и их применение, в. 25, М., 1971 (Авт.: Рывкин С. М., Матвеев О. А., Новиков С. Р., Строкан Н. Б.).

А. Г. Беда. В. С. Кафтанов.

Полупроводниковые детекторы; штриховкой выделена чувствительная область; n — область полупроводника с электронной проводимостью, р — с дырочной, i — с собственной проводимостями; а — кремниевый поверхностно-барьерный детектор; б — дрейфовый германий-литиевый планарный детектор; в — германий-литиевый коаксиальный детектор.

Полупроводниковый диод

Полупроводнико'вый дио'д, двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового (ПП) кристалла. Понятие «П. д.» объединяет различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Система классификации П. д. соответствует общей системе классификации полупроводниковых приборов . В наиболее распространённом классе электропреобразовательных П. д. различают: выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ (в т. ч. видеодетекторы, смесительные, параметрические, усилительные и генераторные, умножительные, переключательные). Среди оптоэлектронных П. д. выделяют фотодиоды, светоизлучающие диоды и ПП квантовые генераторы.

Наиболее многочисленны П. д., действие которых основано на использовании свойств электронно-дырочного перехода (р—n– перехода). Если к р—n– переходу диода (рис. 1 ) приложить напряжение в прямом направлении (т. н. прямое смещение), т. е. подать на его р-область положительный потенциал, то потенциальный барьер , соответствующий переходу, понижается и начинается интенсивная инжекция дырок из р– области в n– область и электронов из n– области в р– область — течёт большой прямой ток (рис. 2 ). Если приложить напряжение в обратном направлении (обратное смещение), то потенциальный барьер повышается и через р—n- переход протекает лишь очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток). На рис. 3 приведена эквивалентная схема такого П. д.

На резкой несимметричности вольтамперной характеристики (ВАХ) основана работа выпрямительных (силовых) диодов. Для выпрямительных устройств и др. сильноточных электрических цепей выпускаются выпрямительные П. д., имеющие допустимый выпрямленный ток I_в до 300 а и максимальное допустимое обратное напряжение U*_обр от 20—30 в до 1—2 кв. П. д. аналогичного применения для слаботочных цепей имеют I_в < 0,1 а и называются универсальными. При напряжениях, превышающих U*_o6p , ток резко возрастает, и возникает необратимый (тепловой) пробой р—n– перехода, приводящий к выходу П. д. из строя. С целью повышения U*_обр до нескольких десятков кв используют выпрямительные столбы , в которых несколько одинаковых выпрямительных П. д. соединены последовательно и смонтированы в общем пластмассовом корпусе. Инерционность выпрямительных диодов, обусловленная тем, что время жизни инжектированных дырок (см. Полупроводники ) составляет > 10^{– 5} —10^{– 4}сек, ограничивает частотный предел их применения (обычно областью частот 50—2000 гц ).

Использование специальных технологических приёмов (главным образом легирование германия и кремния золотом) позволило снизить время переключения до 10^{– 7}— 10^{– 10} сек и создать быстродействующие импульсные П. д., используемые, наряду с диодными матрицами , главным образом в слаботочных сигнальных цепях ЭВМ.

При невысоких пробивных напряжениях обычно развивается не тепловой, а обратимый лавинный пробой р—n– перехода — резкое нарастание тока при почти неизменном напряжении, называется напряжением стабилизации U_cт . На использовании такого пробоя основана работа полупроводниковых стабилитронов . Стабилитроны общего назначения с U_cт от 3—5 в до 100—150 в применяют главным образом в стабилизаторах и ограничителях постоянного и импульсного напряжения; прецизионные стабилитроны, у которых встраиванием компенсирующих элементов достигается исключительно высокая температурная стабильность U_cт (до 1x10^{– 5} — 5x10^{– 6} К^{– 1} ), — в качестве источников эталонного и опорного напряжений.

В предпробойной области обратный ток диода подвержен очень значительным флуктуациям; это свойство р—n- перехода используют для создания генераторов шума. Инерционность развития лавинного пробоя в р—n– переходе (характеризующаяся временем 10^{– 9} —10^{– 10}сек ) обусловливает сдвиг фаз между током и напряжением в диоде, вызывая (при соответствующей схеме включения его в электрическую цепь) генерирование СВЧ колебаний. Это свойство успешно используют в лавинно-пролётных полупроводниковых диодах , позволяющих осуществлять генераторы с частотами до 150 Ггц.

Для детектирования и преобразования электрических сигналов в области СВЧ используют смесительные П. д. и видеодетекторы, в большинстве которых р—n– переход образуется под точечным контактом. Это обеспечивает малое значение ёмкости С_в (рис. 3 ), а специфическое, как и у всех СВЧ диодов, конструктивное оформление обеспечивает малые значения паразитных индуктивности L_k и ёмкости С_к и возможность монтажа диода в волноводных системах.

При подаче на р—n– переход обратного смещения, не превышающего U*_обр , он ведёт себя как высокодобротный конденсатор, у которого ёмкость С_в зависит от величины приложенного напряжения. Это свойство используют в варикапах , применяемых преимущественно для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров, в параметрических полупроводниковых диодах , служащих для усиления СВЧ колебаний, в варакторах и умножительных диодах, служащих для умножения частоты колебаний в диапазоне СВЧ. В этих П. д. стремятся уменьшить величину сопротивления r_б (основной источник активных потерь энергии) и усилить зависимость ёмкости С_в от напряжения U_o6p .