Μελέτη παραμέτρων μεταφοράς και λειτουργίας ανιχνευτών ημιαγωγών III-V
Authors: Θεωνάς Βασίλειος 
Published: January 2014

Οι ημιαγώγιμοι ανιχνευτές ακτινοβολίας αποτελούν ένα σημαντικό δείγμα των τεχνολογικών επιτευγμάτων που έχουν ανακύψει από την έρευνα της φυσικής των ημιαγωγών τα τελευταία 50 χρόνια. Πέρα από την πληθώρα ερευνητικών και τεχνολογικών εφαρμογών, η χρήση τους εκτείνεται πλέον ακόμα και σε εμπορικές εφαρμογές που είναι διαθέσιμες στο ευρύ κοινό. Σημαντική είναι η συνεισφορά του συγκεκριμένου ερευνητικού πεδίου στην ανάπτυξη νέων τεχνικών στον τομέα της απεικονιστικής – διαγνωστικής ιατρικής. Η διδακτορική διατριβή αποσκοπεί στην ουσιαστική διερεύνηση των βασικών παραμέτρων που διέπουν τη λειτουργία των ανιχνευτών ακτινοβολίας, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στους ανιχνευτές ημιαγωγού των ομάδων III–V του Π. Π. Στόχος της είναι να μελετηθούν οι παράμετροι μεταφοράς και η επίπτωσή τους στα λειτουργικά χαρακτηριστικά των υπό αξιολόγηση διατάξεων. Για το λόγο αυτό μοντελοποιήθηκε η λειτουργία ενός τυπικού επίπεδου ανιχνευτή που έχει κατασκευαστεί από (SI) GaAs, δηλαδή από ημιαγωγό ένωση που χρησιμοποιείται ευρύτατα στον τομέα της ανάπτυξης ανιχνευτικών διατάξεων και αποτελεί τυπικό δείγμα σύνθετου ημιαγωγού των ομάδων III–V. Η μελέτη και αξιολόγηση των παραμέτρων μεταφοράς των επίπεδων ημιαγώγιμων ανιχνευτών ακτινοβολίας περιλαμβάνει δύο άξονες: α) συνδυαστικές προσομοιώσεις με τη χρήση μοντέλων που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της διατριβής και μοντέλων στατιστικής Monte Carlo που έχουν αναπτυχθεί από πανεπιστημιακά και ερευνητικά ιδρύματα τα οποία είναι διαθέσιμα και β) πειραματική αξιολόγηση των λειτουργικών χαρακτηριστικών ανιχνευτών που αναπτύχθηκαν από το Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του Ιδρύματος Τεχνολογίας Έρευνας Κρήτης.Αναπτύχθηκε αλγόριθμος που υπολογίζει: α) σε κατάσταση σκότους, τις χωρικές κατανομές δυναμικού, ηλεκτρικού πεδίου, συγκέντρωσης, ταχύτητας και στάθμης Quasi Fermi ηλεκτρονίων και οπών, πυκνότητας φορτίου χώρου και ενδογενούς ηλεκτρικού πεδίου καθώς και το εύρος της περιοχής απογύμνωσης και της ενεργού περιοχής του ανιχνευτή, β) σε κατάσταση διέγερσης από ιονίζουσες ακτινοβολίες, τα χαρακτηριστικά του παλμού ρεύματος που αποκρίνει στην έξοδό του ο υπό μελέτη ανιχνευτής όταν έχει τεθεί σε ολοκληρωτική ή σε λειτουργία παλμού.Με τη χρήση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης υπό διάφορες διεγέρσεις (ιονίζουσες ακτινοβολίες) αναπτύχθηκε μεθοδολογία παραγωγής πολυ-παραμετρικών καμπύλων, κατάλληλων για ενσωμάτωση σε δια-παραμετρικές τεχνικές βελτίωσης της απόδοσης ημιαγώγιμων ανιχνευτικών διατάξεων.Με τη χρήση προσομοίωσης μελετήθηκε η επίδραση του πάχους των επαφών στην απόκριση ανιχνευτών από (SI) GaAs και επιβεβαιώθηκε πειραματικά ότι επαφές διαφορετικού πάχους διαφοροποιούν την απόκριση του ανιχνευτή λόγω της συνεισφοράς του φαινομένου της εκπομπής δευτερογενών ηλεκτρονίων από την ακτινοβολούμενη επαφή προς τον ημιαγωγό.Τέλος μελετήθηκε το φαινόμενο φόρτισης λεπτών στρωμάτων μονωτών που εντοπίζονται σε δομές ημιαγώγιμων ανιχνευτών ακτινοβολίας αλλά και σε διακόπτες RF MEMS όταν αυτοί ακτινοβολούνται με ιονίζουσες ακτινοβολίες. Η προσομοίωση κατέδειξε ότι το παρασιτικό φορτίο που συσσωρεύεται στο μονωτή οφείλεται σε μια δυναμική ισορροπία ανάμεσα στην έγχυση δευτερογενών ηλεκτρονίων από την ακτινοβολούμενη επαφή προς το μονωτή και την αντίστροφη διαδικασία και εξαρτάται από την πυκνότητα και το είδος του μονωτή καθώς και την ενέργεια της ιονίζουσας ακτινοβολίας.