Influence des collisions nucléaires sur la linéarite des détecteurs à semiconducteurs

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Influence des collisions nucléaires sur la linéarite des

détecteurs à semiconducteurs

P. Siffert, G. Forcinal, A. Coche

To cite this version:

275.

INFLUENCE

DES

COLLISIONS

NUCLÉAIRES

SUR LA

LINÉARITE

DES

DÉTECTEURS

A

SEMICONDUCTEURS

P.

SIFFERT,

G. FORCINAL et A.

_COCHE,

Centre de Recherches _Nucléaires,

_{Strasbourg-Cronenbourg.}

Résumé. - On a déterminé le défaut de hauteur

_{d’impulsion}

dans les diodes à barrière de surface bombardées par des ions He+, N+ et Ne+

_{d’énergies comprises}

entre 30 et 150 keV.

L’influence des collisions nucléaires et de la canalisation des ions est

_plus

_{spécialement analysée.}

Abstract. - The

pulse

height

defect due to nuclear collisions is measured for _4He, N, Ne ions

(30-150

keV) impinging

on a

_gold-silicon

surface barrier detector. The results are

_compared

with Lindhard’s

_theory

and are in

_good

_agreement.

REVUE D~ PHYSIQUE APPLIQUÉE TOôIE 4, JUIX 1969

La

_perte

_d’énergie

d’une

_particule

dans un

semi-conducteur a lieu essentiellement _par collisions

élec-troniques

et _par collisions nucléaires

_qui

donnent

respectivement

naissance à des

_porteurs

de

_charges

et à des atomes de recul. Ces

_espèces

secondaires

peu-vent à leur tour soit

_ioniser,

soit

_déplacer

d’autres

atomes de leur

_{position d’équilibre}

dans le réseau

cristallin.

_L’énergie

du

_rayonnement

est donc

_dissipée

par l’intermédiaire d’une cascade de

particules

pri-maires,

secondaires...,

une

_{partie v (E)}

étant cédée au

milieu lors de collisions nucléaires non

_ionisantes;

ce

phénomène

entraîne dans un détecteur à semiconduc-teur

_{l’apparition}

d’un défaut de linéarité. Lindhard

_[1]

a calculé les sections efficaces d’arrêt par collisions

électroniques

et nucléaires en fonction de

_l’énergie

des ions

_incidents,

de leur nature et de celle des atomes

de la cible. Dans le

_présent

_travail,

nous avons

cher-ché à

mettre

en évidence l’influence des collisions

nucléaires sur la linéarité des détecteurs à

semi-conducteurs.

Un défaut

_{supplémentaire}

de linéarité

_apparaît

du fait

_{qu’une particule}

_doit,

avant de

_pénétrer

dans la

zone sensible d’une

_diode,

traverser une

_région

dans

laquelle

les

_charges

ne sont _pas collectées et

_qui

constitue une fenêtre d’entrée. Dans le cas d’une diode or-silicium

_N,

nous avons _pu mettre en évidence

_{[2, 3]}

l’existence sous le

dépôt

d’or d’une telle zone dont

l’épaisseur

devient

_négligeable

si on utilise des

maté-riaux de faible résistivité

₍

500

_{S~ . cm)}

ou si on

pola-rise les détecteurs à des tensions suffisamment élevées. La

_perte

_{d’énergie EF}

dans la fenêtre d’entrée se

réduit

alors à la couche d’or et

_peut

être _{calculée à} par-tir des courbes

_{parcours-énergie}

_{données par Lindhard.}

Nous avons mesuré la hauteur

_{d’impulsion}

_{pour des}

détecteurs à barrière de surface bombardés _{par des} ions

_He+,

_N+,

Ne+

_{d’énergies comprises}

entre 30 et 150 keV. Le défaut de hauteur

_{d’impulsion}

est

FIG. I.

276

FIG. 2.

défini comme la différence des

amplitudes

des

impul-sions

_{correspondant}

à un

_rayonnement

_y ou X de

celles dues aux

_particules

considérées

_(de

même

éner-gie) ;

il

_représente

la somme de la

_perte

_d’énergie

_EF

dans la fenêtre d’entrée et de celle

_{v(E) dissipée}

au cours de collisions nucléaires.

Sur les

_figures

1 et

_2,

nous avons

_reporté

les valeurs

de

_v(E)

_{pour des ions}

_He+,

N+ et _{Ne+ ainsi que la}

courbe

_théorique

résultant des calculs de Lindhard

et de Haines

_[4].

On constate _{que, dans le domaine}

d’énergie

considéré,

l’accord est satisfaisant.

Lorsqu’un

ion

_pénètre

dans un cristal sous une

direction voisine de celle d’un axe

principal

du

réseau,

il subit des collisions focalisantes

_qui

tendent à le maintenir au centre _{du canal délimité par les}

rangées

d’atomes. Lors de ce

_phénomène

de

canalisa-tion,

les collisions nucléaires ont une

probabilité

dimi-nuée et

_{l’énergie v (E)}

transférée aux atomes du milieu

est

_beaucoup

_plus

_{faible que pour} une direction

d’in-cidence

_quelconque.

Nous avons cherché à mettre en

évidence ce

_phénomène

_{pour des ions N+ de 120 keV}

soigneusement canalisés,

tombant sur un détecteur à barrière de surface.

_Lorsque

l’ion N+

_pénètre

dans le cristal suivant l’axe

_(110),

on constate

_{( fcg.}

₃₎

_{que le}

pic

obtenu est

_{dissymétrique}

_(I)

et

_présente,

du côté des hautes

_énergies,

un

épaulement;

les

pics

sont au

contraire

_symétriques

_pour un

_angle

d’incidence

quel-conque

(courbe

II).

Si l’on soustrait les deux

277

mum

à ( 1 08 +

3

keV),

c’est-à-dire pour une valeur

légè-rement inférieure de

_l’énergie

_E,

_{- EF}

_{(= 114 keV)}

de l’ion à son entrée dans la

_partie

sensible du

compteur.

Les

_spectres

_{d’énergie désignés}

_par

_(I)

sur

la

_figure

et obtenus

_après

canalisation des ions

inci-dents doivent être dus à la fois à des

_{particules qui}

sont ou ne sont _{pas canalisées}

_(diffusion

dans la couche

d’or).

Le

_spectre

III doit

_correspondre

aux ions

_qui

sont effectivement canalisés et

_qui,

_par

suite,

ne

subis-sent _{pas de collisions nucléaires.}

BIBLIOGRAPHIE

[1]

LINDHARD

_(J.),

SCHARFF

_(M.)

et SCHIØTT

_(H.

_E.),

Kgl.

Danske Videnskab. Selskal Mat.

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[2]

FORCINAL

_(G.),

SIFFERT

_(P.)

et COCHE

_(A.),

Gatlin-burg Meeting,

mai 1967.

[3]

SIFFERT

_(P.),

FORCINAL

(G.)

et COCHE

_(A.),

I.E.E.E. Trans. Nucl. Sci., 1967, NS-14, 532.

[4]

HAINES

_(E

_L.)

et WHITEHEAD

_(A.

B.),

Rev. Sci. Instr., 1966, 37, 190.

SPECTROMÈTRES

_Ge(Li)

A

ABSORPTION TOTALE

R.

_HENCK,

P. SIFFERT et A.

_COCHE,

Centre de Recherches _Nucléaires,

_{Strasbourg-Cronenbourg.}

Résumé. 2014 On a réalisé divers

_{spectromètres Ge(Li)}

à

_absorption

totale constitués par

deux diodes fonctionnant en _{coïncidence-somme,} ainsi

_qu’un

détecteur

_puits

de 52 cm3. Abstract. - Several two

crystal Ge(Li)

detector

_systems

have been

_developed

for use

as total

_absorption

_{spectrometers,}

as well as a 52 cm3

_well-type

detector.

REVUE DE PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME 4, JUIN 1969,

Les

_spectres

_y obtenus avec des détecteurs

_Ge(Li)

se caractérisent _par la

_présence

d’une

_importante

dis-tribution

_Compton.

_{Les processus}

_{d’absorption}

mul-tiple,

dont la

_probabilité

_augmente

avec les dimensions

des

_diodes,

tendent bien à réduire

_{l’importance}

relative

du fond continu

_(C)

_par

_rapport

aux

_pics

d’absorption

totale

_(P),

mais les

_rapports

_{Pj « ne dépassent cependant}

pas 10

% (~

7

%

pour un détecteur de 35

_cm3).

Ces raisons

_expliquent

_{l’intérêt suscité par le}

_système

de réduction du fond

_Compton

_proposé

récemment par Gruhn

[1].

Celui-ci se _compose

simplement

de

deux détecteurs

_{Ge(Li) placés}

à

_proximité

l’un de l’autre. On

_{n’enregistre}

une

impulsion d’amplitude

proportionnelle

à

_l’énergie

totale d’un

_photon

_{y que}

lorsque

ce dernier donne lieu à un _processus

d’absorp-tion

_multiple

mettant

_{en jeu}

les deux

_compteurs.

Ceci

est effectué en additionnant les

_amplitudes

des

impul-sions

_produites

en coïncidence dans les deux diodes

(coïncidence-somme),

un électron

Compton

étant par

exemple

créé dans l’un des détecteurs et le

_photon

diffusé absorbé dans l’autre. Les événements

corres-pondant

à

_{l’absorption}

totale _{par effet}

_{photoélectrique}

sont alors

_rejetés.

On

_peut

concevoir diverses

_{configurations}

des deux

détecteurs. Nous nous sommes

_proposés

d’examiner

plus particulièrement

trois d’entre

_elles,

schématisées

sur la

figure

1. Les diodes ont été

_séparées

en deux _

parties

symétriques (Dl, D2)

en sciant la

_région

_N,

mais en

_gardant

un contact P commun.

Les

_performances

des

_dispositifs

sont caractérisées

par le

facteur _p =

(hph/hc)b/ (hph/hc)a

et l’efficacité

rela-tive oc =

~b~~a,

où

_{(hph Jh~)}

_désigne

le

_rapport

de la

hauteur du

_{pic d’absorption}

totale au maximum de

la distribution

_Compton

et s l’efficacité de

_détection,

les indices a et b

_{correspondant}

respectivement

au fonctionnement normal et en coïncidence-somme des

deux diodes

_Dl

et

_D2.

Pour la structure

_{plane (, fig.}

1 a, volume sensible

1,6

cm3),

nous avons obtenu une valeur de p voisine

de 3

_(à

661

_keV)

et une efficacité relative oc de

0,10.

Le deuxième

_dispositif

étudié

_(~Cg.

1

_b),

constitué _par un détecteur coaxial

_{(de 6,6}

cm3 de volume

utile)

séparé

en deux

_{parties symétriques}

_par

_rapport

à un

plan

passant

par

l’axe,

permet

une amélioration

_plus

marquée

du _{facteur p}

_qui

atteint une valeur de 5

(pour

le

_spectre

de

_s°Co),

_{l’efficacité}

(X restant de l’ordre de

_0,10.

_{Remarquons qu’il}

ne semble pas

_qu’avec

une