7.3.1 Полупроводниковые детекторы
Полупроводниковой детектор, схематически показанный на рисунке 7.1, является легированным монокристаллом Si. Si превращается в электронно-чувствительный детектор путем создания р-п перехода под поверхностью Si одним из двух способов. В одном типе детектора, переход создается путем легирования Si (например, методом ионной имплантации n-типа примесных атомов в p-типа Si или наоборот). Это легирование изменяет равновесную концентрацию носителей заряда и создает область в p-n переходе, свободную от большинства носителей, которую мы называем «обедненной областью». Проводящий металлический слой напыленный на обе поверхности обеспечивает омический контакт. Альтернативный тип детектора называют поверхностно барьерным детектором (или диод Шоттки), и изготавливают его путем напыления тонкого слоя золота на поверхность высокоомного n-Si, или напыления Al на p Si. Этот поверхностный слой действует как электрический контакт, а также создает обедненный слой и p-n переход внутри Si.
Когда мы помещаем любой из этих детекторов под пучок электронов с высокой энергией, большая часть энергии пучка передается электронам валентной зоны в Si, которые возбуждаясь, переходят в зону проводимости, тем самым создавая пары электрон-дырка. Наиболее эффективный способ отделить электроны и дырки является приложение внешнего обратного смещения на детектор, то есть, приложение отрицательного смещения на стороне p-перехода и положительного смещения на стороне n-перехода. На практике, однако, при энергиях пучка типичных для ПЭМ, создается так много электрон-дырочных пар, что внешнее смещение обычно не является необходимым, и внутренние смещение p-n перехода достаточно для разделения электронов и дырок. Поскольку подвижность электронов и дырок в Si довольно высока, то время сбора большинства носителей с площади порядка 1 мм2 составляет порядка нескольких наносекунд. Таким образом, полупроводниковый детектор имеет хороший отклик на электрона. Конечным результатом является то, что сигнал от входящих электронов преобразуется в ток во внешней цепи между поверхностными контактами, как показано на поверхностно-барьерном детекторе на рисунке 7.1.
Рисунок 7.1 Полупроводниковый детектор поверхностно-барьерного типа, показан в конфигурации для детектирования высокоэнергетичных, прямо рассеянных электронов. Прямого пучок обнаруживается небольшим круглым детектором на оптической оси микроскопа окруженный концентрическими широкоугольным кольцевым детектором, который детектирует любые рассеянные электроны.
Поскольку для образования пары электрон-дырка при комнатной температуре в Si требуется энергия порядка 3.6 эВ, то теоретически 100-кэВ электрон может произвести порядка 28000 электронов. Таким образом, мы получаем максимальное усиление детектора равно по порядку величины 3•104, но на практике существуют потери электронов из-за их поглощения в слое металлического контакта и рекомбинации электронов и дырок в приповерхностных слоях Si (в области, называемой мертвый слой), и мы фактически получаем усиление порядка 2•104.
Такие полупроводниковые детекторы эффективно работают на сбор и усиление электронных сигналов. Однако, они имеют большую емкость, поэтому не обладают высокой чувствительностью к быстрым изменениям в интенсивности сигнала. Такие изменения могут происходить во время быстрого процесса сканирования СПЭМ изображений. Иными словами, данные детекторы имеет узкую полосу пропускания (обычно 100 кГц), это не очень хорошее свойство для детектора, который предназначен для детектирования широкого диапазона сигналов. Емкость может быть снижена за счет уменьшения площади детектора, но в этом случае уменьшится отношение сигнал-шум, что в конечном итоге приведет к существенному снижению качества СПЭМ изображений.
Полупроводниковые детекторы имеют ряд преимуществ:
они легки в изготовлении
они дешевы, соответственно их легко заменить
они могут иметь любую форму, главное чтобы они оставались плоскими.
Это последнее преимущество делает их идеальными для размещения в ПЭМ столика для образца и колонны. Например, можно сделать полупроводниковый детектор кольцевой формы, так, что основного пучок электронов будет проходить через отверстие в нем, а рассеянные электроны могут быть эффективно детектированы.
Таким образом, мы получаем темнопольный детектор (детектор рассеянных электронов).
Можно также изготовить детекторы, которые делятся на две половины или квадранты и каждый сегмент изолирован друг от друга. Эти детекторы очень полезны для различения направленных сигналов, например от магнитных образцов.
Существует также ряд недостатков полупроводниковых детекторов:
Они имеют большой темновой ток (ток регистрирующийся при отсутствии падающего на детектор сигнала). Этот темный ток возникает от термической активации электрон-дырочных пар, или от света, падающего на детектор без покрытия. Поскольку детекторы в ПЭМ всегда имеют омический металлический контакт, то проблема со светом минимальна, потому что свет не может пройти сквозь металлическую пленку. Тепловая активация может быть сведена к минимуму путем охлаждения детектора до температуры жидкого азота. Однако, данный шаг нецелесообразен, охлаждение детектора до температуры жидкого азота приведет к осаждению на нем паров масла и загрязнению, поэтому данный вид детекторов не охлаждают и проблема с
из-за шумов, которые являются неотъемлемой частью полупроводникового детектора, его КЭД довольно низок при низкой интенсивности сигнала, и увеличивается почти до единицы при высокой интенсивности сигнала.
электронный пучок может повредить датчик, особенно в микроскопах с ускоряющим наряжением 300-400 кВ. В этих условиях, легированные p-n детекторы менее чувствительны, чем поверхностно-барьерные детекторы, потому что обедненный слой находится глубже в Si.
они не чувствительны к низкоэнергетическим электронам, таким как вторичные электроны.