Piikarbidi Schottky-diodi säteilynilmaisimena

Abstract

Säteily vaikuttaa elektroniikan komponentteihin monilla tavoilla. Tässä työssä tutkittiin mahdollisuutta käyttää kaupallista piikarbidi Schottky-diodia säteilyilmaisimena. Tulosten perusteella pyrittiin saamaan datapisteisiin sopiva sovitus, jolla kyettäisiin kuvaamaan käyttäytymistä.

Schottky-diodin metallin ja puolijohteen liitoksessa on tyhjennysalue, jossa ei ole vapaita varauksenkuljettajia. Tyhjennysalueen leveys on riippuvainen komponenttiin kohdistetun jännitteen neliöjuuresta. Ionisoivan säteilyn kulkiessa diodin läpi syntyy elektroni-aukko pareja, jotka sähkökentän vaikutuksesta erkanevat. Nämä pystytään havaitsemaan virtana laitteen liittimillä, täten mahdollistaen laitteen käytön säteilynilmaisimena. Virtaa mittaamalla kyetään havaitsemaan säteily.

Mittauksissa tutkittiin estosuuntaisien Schottky-diodien virtakäyttäytymistä elektronisäteilyn alaisena. Elektronisuihku kohdistettiin lineaarikiihdyttimellä, ja sekä kohdistettu jännite että mitattu virta tehtiin Keihtley 2470 laitteella. Diodien säteilyvastetta tutkittiin muuttaen komponenttiin kohdistettua jännitettä, elektronisuihkun annosnopeutta sekä elektronien energiaa.

Diodit omaavat selvän vasteen säteilylle. Säteilystä aiheutuvan virran suuruus kasvaa sekä jännitteen että annosnopeuden kasvaessa. Suuremmilla jännitteillä virran suuruuden virhe kasvaa merkittävästi. Virran ja tyhjennysalueen leveyden suhdetta pyrittiin kuvaamaan sovituksella, jossa tyhjennysalueen leveys kerrottiin sovitusparametrillä. Virran ja tyhjennysalueen leveyttä on huono kuvata vain yhdellä parametrillä. On todennäköistä, että virran arvoon vaikuttavat muutkin ilmiöt tyhjennysalueen leveyden lisäksi. Ionisaatiovirran ja annosnopeuden suhdetta kuvattiin potenssilailla. Kyseinen sovitus kävi pienempien jännitteiden dataan hyvin, ja sovitus heikkeni suuremmilla jännitteillä. Elektronien energialla ei havaittu olevan merkitystä ionisaatiovirran suuruuteen.

Sekä virran virheen että sovitusten sopivuuden perusteella pienempien jännitteiden käyttö on suositeltavaa sovelluksissa. Elektronien energia ei vaikuta virtaan sillä vähempikin energia on tarpeeksi säteilyn päästäkseen komponentin läpi ionisoiden ainetta. Diodien käyttäytymisessä ei havaittu muutoksia säteilytyksen jälkeen.

Radiation affects electronic components in many ways. In this work the possibility of using a commercial silicon carbide Schottky-diode as a radiation detector was investigated. A fit that would describe the behavior was attempted to be applied to the data based on the results.

There is a depletion region in Schottky diodes near the junction between metal and semiconductor, where there are no free charge carriers. The width of the depletion layer is dependent on the square root of the voltage applied to the component. As ionizing radiation moves through the diode, electron-hole pairs are formed, which due to the effect of electric field are separated, which can be observed as a current at the device terminals and therefore allows the device to be used as a radiation detector.

During the measurements, the current behaviour of reverse biased Schottky-diodes under the electron radiation were investigated. The pulse was applied with a linear accelerator, an both the applied voltage and measured current was done with the device Keithley 2470. The radiation response of the diodes was investigated using different bias voltages, pulse dose rates and electron energies.

The diodes have a distinct response to radiation. The radiation induced current increases with increasing voltage and dose rate. Higher voltage causes a significantly higher error in the measured current. The relation between the current and depletion layer width was attempted to be described with a fit, where the width was multiplied with a fit parameter. The relation between current and depletion layer width is not suitable to be described with only one parameter. It is likely that other phenomena affect the current in addition to the layer width. The relation between current and dose rate was described with a power law. The fit was good with lower voltages but worsened with higher. The energy of the electrons had no effect on the ionized current.

Based on both the error of the current and the fitting of the models, it is recommended to use lower voltages in applications. The energy of the electrons does not affect the current because even lesser energy is enough for the radiation to penetrate the component ionizing matter. There were no differences noticed in the behaviors of the diodes after radiation.