The hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) holds good promise for radiation detection from its inherent merits over crystalline counterpart. For the application to alpha spectroscopy, the induced charge collection in a-Si:H pin detector diodes was simulated based on a relevant non-uniform charge generation model. From the simulation, the diode requires an intrinsic layer of thickness ∼10 μm or larger.
Also the input equivalent noise charge (ENC) as well as the reverse current for the sample diodes was measured and analyzed The noise sources of a-Si:H diodes were analyzed into three sources; shot noise, flicker or 1/f noise, and thermal noise from the contact resistance. By comparing the measured ENC with the calculated signal charge, the signal-to-noise ratio (S/N) for the sample diodes was estimated as a function of operational parameters; the applied reverse bias and the shaping time of Gaussian-pulse shaper. The analysis of signal and noise is useful for the optimum design of a-Si:H pin diodes for various charged particle radiation spectroscopy.
비정질 실리콘은 만드는 방법과 내부 구조적인 특성 등에서 기인한 몇 가지 장점 등으로 방사선 계측기의 응용으로 큰 관심을 보이는 물질이다. 본 연구에서는 이 비정질 실리콘을 이용하여 알파선과 같은 중이온의 에너지 분광이 가능한지를 보려고 시도하였다.
일반적으로 계측기의 두께보다 비정 거리가 긴, 베타선에 대해서는 계측기 내에 일정하게 전하가 생성된다는 간단한 모델(Uniform charge generation)로 계측기로부터의 방사선 신호를 예측할 수 있으며, 계산된 바가 있다. 여기서 나아가 본 연구에서는 계측기의 두께보다 비정 거리가 작거나 혹은 거의 비슷한 알파선에 대해, 계측기 내의 전하분포가 거리에 대한 에너지 전달을 나타내는 Bragg 곡선(bragg curve)과 유사하다고 가정하여 전하수집효율(Charge collection efficiency)을 예측하였다.
우선 실리콘에서의 임의의 에너지에 대한 에너지 전달 함수를 수식으로 표현하여 비정질 실리콘 내에서의 전하 생성(Non-uniform charge generation)을 모델링 하였다. 또한 계측기에 가해진 바이어스의 세기, 계측기의 두께와 알파선의 비정 거리와의 관계 등에 따라 각 경우별로 전하수집효율을 계산하였다. 계산 결과에 의하면 70 마아크로미터 정도의 두께로 일반적인 알파 입자 방출 동위원소로부터의 알파 입자(3∼7 MeV)를 에너지 분광 할 수 있다는 결과가 나왔다. 이때 필요한 방사선 계측 시스템의 운전 변수, 즉 전하 수집 시간은 5μ$\sec$ 이상이 필요하며, 외부에서 인가해야 할 바이어스는 비정질 실리콘 p-i-n 다이오드의 i-층을 충분히 공핍층으로 만들 수 있을 정도의 세기(Full depletion bias)가 필요하다.
또 비정질 실리콘 샘플 계측기의 노이즈(Noise)를 측정하였으며, 이를 이용하여 계측기 설계 시 가장 중요한 고려 사항인 방사선 신호화 노이즈의 비(Signal-to-noise ratio, S/N)를 계산하여, S/N의 최대값이 존재하는 것을 확인하였고, 이에 따른 운전 변수를 찾아냈다. 이러한 과정은 여러 두께의 계측기에서도 적용할수 있다. 이 S/N을 최대화하기 위해서는 노이즈의 원인인 역 방향 전류에 대한 자세한 연구가 앞으로 필요 할 것이다.
