반도체검출기를이용한감마선측정 서범경 (bumja@kaeri.re.kr) 한국원자력연구원
자에너지 충만대 : 전자가결정내의격자에결합되어있는에너지대역전1. 반도체 - 원자가전자대 ( 충만대 ) 와전도대사이의에너지간격 (gap) 이작아서상온에서도열적인여기에의해충만대에있던전자가전도대로이동할수있어미량의전류를흘릴수있는물질 - 진성 ( 원형, 또는고유 ) 반도체 : 불순물을포함하지않는순수한반도체 - n형반도체 : 4족인 Si 또는 Ge에 5족원소 (P, As, Sb) 를첨가한것 과잉전자 (-) - p형반도체 : 4족인 Si 또는 Ge에 3족원소 (In, Ga, Al 등 ) 를첨가한것 과잉양공 (+) 전도대 E g > 5 ev 원자가전자대 ( 충만대 ) 절연체반도체전전도대 E g 1 ev 원자가전자대 ( 충만대 ) 전도대 : 결정내에서전자가자유롭게움직일수있는에너지대역
불순물의영향 진성반도체 - 불순물이전혀포함되어있지않은반도체. - 열적들뜸에의해서만전자-양공쌍이생성됨. - 전도대의전자의수는원자가전자대 ( 충만대 ) 의양공의수와일치 일반적인반도체의특성 실리콘과게르마늄의특성비교 원자기호 Si Ge 원자번호 14 32 밀도 ; g/cm 3 2.33 5.32 금지에너지간격 (300 K) ; ev 1.115 0.665 고유운반자밀도 (300 K) ; cm -3 1.5 10 10 2.4 10 13 고유비저항 (300 K) ; Ω cm 2.3 10 5 47 전자이동도 (300 K) ; cm 2 /V s 1350 3900 양공이동도 (300 K) ; cm 2 /V s 480 1900 전자이동도 (77 K) ; cm 2 /V s 2.1 10 4 3.6 10 4 양공이동도 (77 K) ; cm 2 /V s 1.1 10 4 4.2 10 4 전자-양공쌍당에너지 (300 K) ; ev 3.62 전자-양공쌍당에너지 (77 K) ; ev 3.76 2.96
n-형반도체 - 반도체의전도도는주기율표의이웃하는족의원자를첨가하여상당히형상시킬수있음. - Si에 As(Arsenic, 비소 ) 를소량첨가 - As는 5개의가전자를가지기때문에 Si 원자와 4개의공유결합후에한개가남음 ( 남는전자하나는원자반경의수십배를차지할수있음 ). - 여분의전자는불순물에매우약하게결합되어있기때문에작은에너지로도양공을만들지않고전도전자를형성. - 이러한종류의불순물을 donor impurity( 주개불순물 ) 이라함. - 전기전도도는거의전자에의하여결정 ( 다수운반자 : 전자, 소수운반자 : 양공 ) 전도대 donor level 원자가전자대
p-형반도체 - 실리콘 (Si) 에 3족의원소 (3 價 ) 의불순물을첨가 - 이불순물이 Si 원자의한위치를차지 - 공유결합내의한개의빈자리가생성 - 전자한개가포획되어공유결합을형성해도, 한쪽은 3가전도대의원자이기때문에다른원자가전자정도로크게속박되지않음. acceptor level - 이러한 acceptor level( 받개준위 ) 은거의열적들뜸에의원자가전자대한전자에의하여채워짐. - 그렇기때문에결정중의다른원자가전자대에양공을남김. - p 형물질에서는양공이다수운반자가되며전기전도도에기여. Si의이론적비저항은 230,000 Ω cm이나, 아무리우수한정제장치를사용하여도실제로는 50,000 Ω cm의비저항밖에얻을수없다. 즉, 고순도 Si (High Purity Si, HPSi) 결정을만들기는현재로서는불가능함.
반도체내에서이온화방사선의작용 이온화에너지 - 방사선이반도체내를지나가면서그경로를따라서전자-양공쌍을생성함. - 방사선에의한직접이온화하여전자-양공쌍을만드는과정과처음에고에너지전자 (δ-선) 를만들고그전자가전자-양공쌍을만드는간접적인과정을모두포함. - 전자-양공쌍당평균에너지 (ε) : 입사방사선에의하여한쌍의전자-양공쌍을만드는데필요한에너지약 3 ev ( 공기의경우는전자-양이온쌍을만드는데약 30 ev가소요 ). - 많은전하운반자의생성은우수한에너지분해능을얻을수있음 ( 펄스당통계적요동이작아지기때문 ). 반도체검출기의측정원리 : 고체전리함 - n-p 접합다이오드의 n측에 (+) 로, p측에 (-) 로역바이어스전압을인가하면 n측의전자와 p측의정공이각각전극으로이동하여방사선의검출영역인공핍층 ( 전자와정공의수가같은영역 ) 이확장. - 입사방사선의전리작용에의해전자 정공 (hole) 쌍을생성함. - 이전자-정공쌍을전극에모아서측정하면고체전리함이됨.
특성 - 전자는결정속을이동가능, 정공의이동속도는전자의이동속도와거의비슷. - 공핍층이필요 - 전하의수집시간이짧다. - 밀도가기체보다 1,000배가량커서감마선에대한방사선에대한검출효율이우수 - 방사선에너지흡수에의해서뿐만아니라상온에서도열적여기에의해반도체검출기에는항상미량의전류가흐르기때문에사용시에는반드시액체질소로냉각시켜주어야한다. 반도체검출기의장점 - 기체검출기에비하여밀도 ( 약 1,000배 ) 가크기때문에작은크기로제작가능 공기의밀도 : 0.001293 g/cm 3, 반도체 (Ge) : 5.3 g/cm 3 - 섬광검출기에비하여생성되는정보운반자 ( 電子 ) 의숫자가많기때문 ( 약 100배 ) 에에너지분해능이우수함. 섬광검출기 : 1광전자 /300eV, 반도체검출기 : 1전자-양공쌍 /3eV 반도체에서에너지간격 (Energy gap) - 금지에너지간격이 Ge (E b : 0.665 ev), Si (E b : 1.115 ev) 의전자 정공쌍을만드는데필요한에너지는 Ge은 2.96 ev, Si은 3.76 ev임 ( 기체의 34 ev에비해매우작음, 큰장점 ). - 동일한에너지의입사방사선에대하여생성되는정보전달자가많아서출력펄스가크다. - 출력펄스파고가크고, 파고의변동이작아에너지를구분하는에너지분해능이매우좋음.
에너지분해능과반치폭 - 에너지분해능 : 분광기 (spectrometer) 의성능을평가하는데있어가장중요한인자 - 반치폭또는반폭치 (Full Width at Half Maximum : FWHM) 단일에너지 (E) 에해당하는피크의최대치의 1/2 이되는지점의폭. 검출기에너지분해능의척도임.
- 1/10 치폭 (Full Width at Tenth Maximum : FWTM) 단일에너지 (E) 에해당하는피크의최대치의 1/10 이되는지점의폭. 피크꼬리 (tail) 의퍼짐을표시하는지표. 분해능에가장많이영향을주는인자전자의통계적인변동 (Fano 인자 ) 그리고신호잡음. ( C1 : 상수, n : 방사선에의하여여기된전자의수 ) (C2 : 상수, E : 방사선의에너지 ) 즉, 분해능은입사감마선의에너지 의제곱근 ( ) 에반비례. - 에너지분해능 (Resolution)
반도체검출기와섬광검출기의스펙트럼상호비교 - 에너지분해능 : 반도체검출기가탁월 - 측정효율 : 섬광검출기가우수 HPGe 와 NaI(Tl) 검출기의스펙트럼비교 에너지분해능 - 분해능에영향을미치는요인 (1) 계측기내에서생성된전송자수 ( 전자또는광자 ) 의통계적변동 (Fano 인자 ) (2) 전치증폭기, 증폭기및검출기자체의전기적잡음 (electronic noise) (3) 검출기내에서생성된전하의불완전한수집 (incomplete collection) 반도체검출기의 Radiation Damage - 입사방사선과반도체검출기원자물질과의상호작용에기인하여결정결함을만드는현상으로전하운반자의포획및재결합으로에너지분해능이저하됨. - 접합형보다는표면장벽형에서잘일어남. - 저지능이큰알파, 핵분열생성물등과같은방사선의조사에의하여잘일어남.
- 감마선에의한 radiation damage 의영향은무시가능 - 검출기의계측효율이클수록잘발생함 - 해결책 : annealing or redrifting 반도체검출기의종류 1) p-n 접합형검출기 - 반도체를방사선검출기로사용하는기본적인방법은 n형과 p형반도체를접합하는것인데이를 "n-p 접합형검출기 ( 또는 n-p 접합다이오드 )" 라고한다. - 구조가간단, 분해능이다소떨어짐 - 공핍층의두께는 10-500 μm이며용도는주로 α선측정에사용 2) 표면장벽형검출기 (surface barrier detector) - n 형 Si 반도체를적당한두께로절단하여표면을산화알루미늄 (Al 2 O 3, 알루미나 ) 으로연마 - 초산 (CH 3 COOH) 과플루오르화수소산 (HF) 의혼합액 (3:1) 로부식 - 공기중에서방치하거나수증기로가열하여산화시켜 p 형표면층을만들어서, Au를진공증착시켜음극으로사용. - 뒷면에 Al을진공증착시켜양극으로사용. - 입사면의아주얇기때문에알파입자나중하전입자의측정에유리.
3) Li 드리프트형검출기 : - 공핍층의더욱확대하기위해 p 형 Si 또는 Ge 반도체에 Li 을확산시키는방법을사용 - 이러한검출기를 "Li drifted 반도체검출기 " 라하며 Ge(Li), Si(Li) 으로표기한다. - 제작공정 1) p-형의 Si 또는 Ge 결정의한면을연마 2) Li 을진공증착시켜, Si은 400 그리고 Ge은 450 로가열 3) Li은결정속에서 0.5 ~ 1 mm까지확산하여 1가의 n형불순물로거동 (Li이확산된영역은 n 형반도체로변하기때문에 p-n 접합이됨 ). 4) 일정한온도로유지 (Si : 120, Ge : 40 ) 하고, 역바이어스전압 (Si은 500 V 그리고 Ge은 600 V) 을걸어주면, n 형반도체의과잉의 Li + 는전기장에의하여 p 형반도체로확산 5) 확산과정에서 p 형반도체의운반자 (acceptor) 는 Li + 에의하여차례로중화 (Li + 에의하여 n형과 p형의불순물끼리상쇄되어진성반도체와같은성질을가짐. 진성영역또는 i 층이라고함 ) 7) 확산이종료되면, 0 ~ 20 의저온에서 3000 V의높은역바이어스전압을인가하여 Li 의보상을종료시킴. 8) 보상된양측에 p와 n 형의반도체를접합시켜, 공핍층이증대된 p-i-n 구조의고분해능반도체검출기가됨.
- 액체질소온도 (77 K) 로냉각시켜보존및사용 - Si(Li) 는상온에서수주동안보관이가능하나, Ge(Li) 는사용시뿐아니라보관할경우에도항상냉각을시켜주어야한다. - Ge(Li) : 감마선의측정, 핵종분석용 - Si(Li) : 저에너지 (30 kev이하 ) 의 X선및고에너지 β선측정에유리 Si(Li) 가 Ge(Li) 보다측정효율이떨어지지만여전히사용되는이유 (Ge 는 10keV 부근의에너지영역에서 K-edge 가발생해서반응단면적이급변하기때문에저에 너지측정에부적합함 ) 4) 고순도반도체검출기 (HPGe) - Ge의불순물정제기술이발달하여 Ge(Li) 대신에 " 고순도 Ge검출기 (High Purity Ge detector, HPGe) 를널리사용 - 고순도 Ge 검출기는불순물농도가 10 10 cm -3 인순수진성반도체 (Li drift 형의진성영역의불순물 : 10 12 cm -3 ) - 순수 Ge 단결정의양면에 p+ 및 n+ 접합을시켜서제조 * p + : 표면장벽과동일한방법으로만듬. * n + : Li을확산시켜서만듬. 대량으로도핑한경우 + 기호를사용
- 고순도 Ge 는약간의불순물및격자결함에의하여 p 형반도체의성질을나타냄. - 즉, HPGe 검출기 : 두꺼운 p 형영역의양측에 n + 층과 p + 층을접합한다이오드형태 - 상온에서보존가능하고, 방사선측정시만액체질소로냉각
5) 화합물반도체검출기 - 최근에실온에서동작이가능하고, 분해능과효율이우수한검출기개발을위하여각종반도체재료가연구되고있음. Si 반도체검출기 : 감마선의측정이어려움. Ge 반도체검출기 : 액체질소를사용하여하여함. 즉, 실온에서측정불가. NaI(Tl) 검출기 : 나쁜분해능 - 금지대폭이 2 ev 정도이고, 원자번호 30 이상인재료. : HgI 2, GaAs, CdTe 등의화합물반도체가주목. μτ이 Ge이나 Si에비하여작고, 크게제조할수가없으며, 대형의단결정을성장시켜도전하수집이나빠서검출특성이저하됨. - GaAs : 실온에서좋은에너지분해능을가지며실용화단계 - CdTE : 핵의학용, 원자로의감마선측정, 감마선카메라등으로실용화되고있음. - HgI 2 : 원자번호가높지만 μτ 값이작음. 특히양공의이동도가 4 cm 2 /V s로아주느림. - 에너지갭의간격이커서냉각하지않고상온에서사용할수있는장점이있으나, 에너지분해능이좋지않으며, 결정을키우는데한계가있다는약점이있다. - hole의 mobility가상당히늦음 : Charge collection에문제. - size 크기제한 ( 최대길이 1cm 정도 ) - 에너지가높은방사선측정에불리 (1MeV 이하적합 )
2.
ν ν ν ν ν ν θ θ ν ν θ
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E < 1.022 MeV E > 1.022 MeV
E < 1.022 MeV E > 1.022 MeV
E 의에너지와무관
β
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