Strahlenschäden und Strahlenhärte von Halbleiterdetektoren

7 SUBSTRATSCHÄDEN: GITTERDEFEKTE 10
instabil sind und sekundäre, stabile Folgeschäden. Diese können durch ionisierende Strahlung
erzeugt werden und haben dann Konsequenzen auf sowohl Detektor als auch auf seine
Elektronik, oder sie werden durch nicht-ionisierenden Energieverlust erzeugt und schädigen
so das Kristallgitter des Detektors.
7 Substratschäden: Gitterdefekte
Durch nicht-ionisierenden Energieverlust entstehen Schäden im Gitter des Halbleiters. Das
einfallende Teilchen überträgt, wenn es auf ein PKA (Primary KnockOn Atom) trifft, soviel
Energie, dass das PKA seinen Gitterplatz verläßt. Es ensteht eine Fehlstelle im Gitter und
ein neues Zwischengitteratom, ein sog. Punktdefekt. Wird dem PKA eine Versetzungsenergie
EV > 2keV übertragen, kann es bis zu 100 weitere Versetzungen anregen, was zu einem
Cluster-Defekt führt. Alle diese Versetzungen haben neue Energieniveaus in der Bandlücke
zur Folge.
8 Vergeich von Schädigungen
Der Vergleich von Schädigungen unterschiedlicher Strahlungsarten ist sehr schwierig. Einen
bislang erfolgreichen Ansatz macht die Non-Ionising-Energy-Loss (NIEL) - Hypothese. Diese
besagt, dass die Schädigung des Gitters proportional zur Versetzungsenergie aller Versetzungen
ist. Als Normierung werden 1 MeV Neutronen benutzt. Dann verwendet man nicht mehr
den tatsächlich gemessenen Fluss, sondern den äquivalenten Fluss Φeq. Der Vergeleichsfaktor
zwischen dem tatsächlichen und dem äquivalenten Fluss nennt man Härtefaktor κ. Er gibt
den Quotienten aus äquivalentem und tatsächlichem Fluss an: κ = Φeq/Φ und ist abhängig
von der Schädigung D. Die Werte dieser Schädigungen folgen der sog. Damage Function
D(E) = �
ν
� ER,max
σnu(E) fν(E, ER)P (ER)dER, (4)
0
bei der ν alle möglichen Reaktionen zwischen einem einfallenden Teilchen und PKA darstellt
und σ der Wirkungsquerschnitt dieser Reaktionen ist. f ist die Wahrscheinlichkeit für die
Erzeugung eines PKAs mit der Energie ER, welches die Rückstoßenergie des PKAs ist. E
ist allgemein die Energie des einfallenden Teilchens und P ist die Verteilung dieser Energie
auf Anregungen und Versetzungen der Gitteratome.
Zu nennen ist hier der Normwert für 1 MeV Neutronen: D(1MeV Neutronen) = 95 MeV
mb. Diesen Wert findet man in Abb. ?? wieder. Man sieht, dass D(1Mev Neutronen) höher
ist, als die Schädgung, die, z.B., 24 GeV Protonen verursacht. Der Quotient dieser beiden
Schädigungen oder ihrer zugehörigen NIEL Werte, NIEL ∼ D(E), ergibt in diesem Fall den
Härtefaktor κ = 0, 63.