The Noise Spectroscopy of Radiation Detectors Based on the CdTe

Předmětem této práce je šumová spektroskopie detektorů (-záření a paprsků X) vyrobených na bázi CdTe. Vychází se ze sledování hladiny nízkofrekvenčního nadbytečného šumu při transportu náboje jak v časové tak ve frekvenční oblasti prostřednictvím spektrální hustoty výkonu (PSD) s logaritmickým rozlišením frekvenční osy. V práci je nově popsaný návrh měřící metody PSD, který je odvozený od diskrétní vlnkové transformace a dává srovnatelné výsledky s dříve užívanou analogovou technikou. Na námi vytvořený model monokrystalu CdTe je možno pohlížet jako na antiseriové spojení dvou Shottkyho diod s rezistorem mezi nimi. Ten pak představuje odpor v objemu vzorku polovodiče, který se mění v důsledku změny koncentrace nosičů při konstantních podmínkách jako je teplota nebo přiložené napětí či osvětlení. Při změně teploty se vzorek CdTe zpočátku chová jako kov. V důsledku změny pohyblivosti nosičů (děr nebo elektronů) pak začnou převládat vlastnosti polovodiče díky jejich tepelné generaci. Spektrální hustota výkonu nízkofrekvenčního šumu závisí na počtu volných nosičů ve vzorku. U všech zkoumaných vzorků byla hladina šumu 1/f mnohonásobně vyšší než se dá určit pomocí Hoogeho teorie. To je způsobeno nízkou koncentrací nosičů ve vyprázdněné vrstvě záporně polarizovaného kontaktu.The main object of this work is noise spectroscopy of CdTe radiation detectors (-rays and X–rays) and CdTe samples. The study of stochastic phenomenon and tracing redundant low-frequency noise in semiconductor materials require long-term measurements in time domain and evaluate suitable power spectral densities (PSD) with logarithmic divided frequency axes. We have used the means of time-frequency analysis derived from the discrete wavelet transform (DWT) and we have designed the effective algorithm for PSD estimation, which is comparable with an original analog method. CdTe single crystal with Au contacts we can imagine as a series connection of two Schottky diodes with a resistor between them. The bulk resistance at constant temperature and other constant parameters changes due to the carrier concentration changing only. The p-type CdTe sample shows metal behavior with every temperature changes. Semiconductor properties of the sample begin to dominate just after some period of time. This behavior is caused by the hole mobility changing. The voltage noise spectral density of 1/f noise depends on the quantity of free carriers in the sample. All the studied samples have very high value of low frequency noise, much higher than it should have been according to Hooge’s formula. The excess value of low frequency noise is caused by the low carrier concentration within the depleted region.

Radiation Detectors Noise Spectroscopy

Kadmium telurid je velmi důležitý materiál jak základního, tak i aplikovaného výzkumu. Je to dáno zejména jeho výhodnými elektronickými, optickými a strukturními vlastnostmi, které ho předurčují pro náročné technické aplikace. Dnes se hlavně používá pro jeho vysoké rozlišení k detekci a X-záření. Hlavní výhodou detektorů na bázi CdTe je, že nepotřebují chlazení a mohou spolehlivě fungovat i při pokojové teplotě. To způsobuje efektivnější interakce fotonů než je tomu u Si nebo jiných polovodičových materiálů. Obsahem této práce byla analýza a interpretace výsledků získaných studiem šumových a transportních charakteristik CdTe vzorků. Měření ukázaly že odpor homogenní části CdTe krystalů mírně klesá při připojení elektrického pole na vzorku. Při změně teploty navíc dochází k odlišné reakci u CdTe typu p a n. Právě těmto efektům je v práci věnována pozornost. Pomocí šumové spektroskopie bylo zjištěno, že při nízkých frekvencích je u vzorků dominantní šum typu 1/f, zatímco při vyšších frekvencích je sledován generačně-rekombinační šum a tepelný šum. Všechny měřené vzorky vykazovaly mnohem vyšší hodnotu šumu na nízkých frekvencích než udává Hoogeova rovnice. Byly nalezeny a popsány zdroje nadbytečného šumu.Cadmium Telluride is a material of great importance in the fields of both fundamental research and technical applications, because of its structural, optical, electronic and photoelectronic properties. Today the main application of Cadmium Telluride is in high resolution detection of -rays and X–rays. The main advantage of radiation detectors manufactured on CdTe base is that they need no cooling and can operate at the room temperature and there is a more effective interaction of photons in CdTe than in either Si or Ge. The transport and noise characteristics of CdTe samples were studied. The measurements show that the bulk resistance of CdTe single crystals decreases very slowly when the external electric field is applied. n-type samples and p-type samples show different response on the temperature changes. These effects were analyzed. The noise measurements show that dominant noise at low frequencies is type of 1/f noise. At higher frequencies generation-recombination and thermal noise were apparent. All the studied samples have very high value of low frequency noise, much higher than it should have been according to Hooge’s formula. The sources of excess noise were investigated.