The performance of a cadmium zinc telluride (CdZnTe) room temperature radiation detectors is mainly limited by the charge transport properties. In this study, charge transport properties were investigated through three models and a simple model for the charge collection process in CdZnTe radiation detectors of m-i-m diode structure was developed.
The developed model can take the input variables of material properties, such as mobility and lifetime of electrons and holes, as well as the operation parameters, such as the applied bias voltage, pulse shaping time, and the incident direction and the energy of gamma-rays.
Using the developed model, the pulse height spectra of mono energy gamma-rays are analyzed. The measured charge collection efficiency was agreed well with the model calculations, and the distortion of the photo-peak spectrum was understood well by the charge collection model.
The developed model will be useful in quick evaluation of the CdZnTe detector diode as well as the design of optimal detectors for specific applications, such as the surgical probe, the detector array for X-ray CT, and the two-dimensional detector for gamma camera and positron emmision camera.
And using the three charge transport models, it was found that the transport phenomena of electrons can be sufficiently explained by drift and trapping, and holes are transported with a dispersive nature.
The major transport parameters are measured as follow: electron mobility is ~ 1000 ㎠/Vsec; hole mobility is ~120 ㎠/Vsec; electron lifetime is ~0.9μsec; hole lifetime is ~0.2 μsec.
CdZnTe 방사선 검출기의 성능은 전하 이동 특성에 따라 크게 영향을 받는다. 따라서, 본 연구에서는, 많이 알려져 있는 3종류의 전하 이동에 관한 모델을 이용하여, CdZnTe 검출기 내에서 전하의 이동현상에 대하여 고찰하였으며, 특히 m-i-m 다이오드 구조를 가지는 CdZnTe 방사선 검출기 내에서 전하가 수집되는 과정을 나타낼 수 있는 모델을 개발하였다.
3종류의 모델을 이용하여 전차의 이동현상에 관하여 고찰해본 결과, 전자는 드리프트(drift)와 트랩(trapping)만으로도 충분히 설명이 가능하며, 정공의 경우는 흐트러짐(dispersion) 특성을 가지고 있는 것으로 분석됐다. 확산(diffusion)에 의한 영향은 거의 없는 것으로 보여진다.
개발된 모델은 전자와 정공의 이동도나 수명과 같은 물질 특성 뿐만 아니라, 인가 전압, 펄스의 정형 시간, 방사선의 조사 방향, 방사선의 에너지와 같은 변수를 고려하였다. 이 모델을 이용하여 단일 에너지를 가지는 감마선원에 대한 스펙트럼을 분석하였을 때, 측정된 전하 수집 효율은 계산된 전하 수집 효율과 잘 맞았으며, 스펙트럼의 피크 부분에서의 왜곡이 잘 설명 되었다.
따라서, 개발된 전하 수집 모델은 CdZnTe 검출기의 성능을 쉽고 빠르게 평가하는데 매우 유용할 뿐만 아니라, 수술용 프로브(surgical probe)에 사용되는 검출기나 엑스레이 단층 촬영기의 검출기 어레이 등을 최적으로 설계하는데도 유용할 것으로 보여진다.
