Detector de semicondutor

Detector de semicondutor para radiação gama. O único cristal de germânio de alta pureza dentro da caixa tem cerca de 6 cm de diâmetro e 8 cm de comprimento

Um detector de semicondutor é um detector de radiação ou partícula no qual propriedades elétricas especiais dos semicondutores são usadas para detectar a radiação ionizante . A radiação gera portadores de carga livre no semicondutor que migram para eletrodos de metal. Este sinal atual é amplificado e avaliado. Os detectores de semicondutores são usados, por exemplo, em espectroscopia , física nuclear e física de partículas .

Princípio de trabalho

Simplificando, o detector é um diodo ao qual uma tensão CC é aplicada na direção reversa, de modo que normalmente não há fluxo de corrente. Se a radiação incidente gerar pares elétron-orifício no material , isto é, portadores de carga livre, estes migram no campo elétrico para os eletrodos e podem ser medidos como um pulso de corrente.

Quantos pares de elétron-buraco uma partícula ou quantum da radiação incidente libera depende, além de sua energia, em grande parte da energia do gap do material usado. Dependendo do tipo de radiação ionizante, as nuvens de carga geradas no detector surgem de maneiras diferentes e se distribuem de maneira diferente no volume. Uma partícula carregada cria uma trilha de ionização ao longo de seu caminho. Um fóton , por outro lado, pode usar o efeito fotoelétrico para liberar toda a carga correspondente à sua energia praticamente em um ponto, liberando-a para um elétron secundário . Em competição com o efeito foto , o efeito Compton ocorre em energia de fóton mais alta , na qual apenas parte da energia é transferida para o elétron e é depositada no detector.

inscrição

Os detectores semicondutores são usados ​​por causa de sua alta resolução de energia e - com a estruturação apropriada - sua sensibilidade de localização (detectores sensíveis à posição). Eles são usados ​​z. B. em análise de fluorescência de raios-X , espectroscopia gama , espectroscopia alfa e física de partículas . Um exemplo deste último é o Semiconductor Tracker (SCT) do detector ATLAS .

Radiação eletromagnética

Ao absorver radiação ultravioleta de alta energia ( UV de vácuo , UV extremo ), bem como radiação de raios-X e gama , um elétron primário é primeiro elevado da banda de valência para a banda de condução . Sua energia cinética é muito alta, razão pela qual numerosos elétrons e fônons secundários são formados. A geração de partículas secundárias é um processo estatístico. Com a mesma energia inicial, o mesmo número de portadores de carga nem sempre surge. O alcance das partículas secundárias é relativamente curto. Em comparação com os processos de ionização que são causados ​​por partículas carregadas, os portadores de carga são gerados em uma área muito pequena.

A fim de alcançar uma alta probabilidade de detecção, semicondutores com um alto número atômico , como germânio , arseneto de gálio ou telureto de cádmio, são usados para radiação gama . Além disso, é necessária uma espessura relativamente grande do cristal único . Os detectores semicondutores feitos de germânio, como o detector HP-Ge mostrado , precisam ser resfriados à temperatura do nitrogênio líquido (77 K) porque eles têm uma corrente de fuga muito alta em temperatura ambiente, o que destruiria o detector na tensão de operação necessária. Os detectores de germânio derivado de lítio usados ​​anteriormente (nome comum: detector Ge (Li) ), bem como os detectores de silício derivado de lítio ( detector de Si (Li)), que ainda são comuns hoje, precisam ser constantemente resfriados, porque o armazenamento em temperatura ambiente significa que o lítio Iria destruir a difusão . O resfriamento também reduz o ruído inerente.

Consulte também sensor de imagem de raio-X .

Radiação alfa

A profundidade de penetração das partículas alfa é relativamente pequena, aproximadamente 25 µm, pois sua capacidade de ionização é muito alta. De acordo com a equação de Bethe-Bloch , a perda de ionização de partículas carregadas depende de Z ² / v ², por isso aumenta com um maior número atômico e menor velocidade . A densidade dos pares elétron-buraco, portanto, aumenta com a profundidade, porque a velocidade da partícula alfa diminui quando ela penetra. Tem um máximo claro no ponto final ( curva de Bragg ). ${\ displaystyle Z}$ ${\ displaystyle v}$

Radiação beta

Em comparação com as partículas alfa, os elétrons têm uma ordem de magnitude menos massa e metade da carga elétrica . Sua capacidade de ionização é, portanto, muito menor. A radiação beta relativística (de alta energia) , portanto, penetra significativamente mais fundo no detector ou o penetra completamente e cria uma densidade uniforme de pares de elétron-buraco ao longo de seu caminho. Se a maior parte de sua energia for liberada, então - semelhante às partículas alfa - ocorre uma ionização mais alta no ponto final de sua órbita. Os elétrons de energia extremamente baixa não geram mais portadores de carga e interagem principalmente com os fônons .

Outros tipos de partículas

Partículas carregadas com alta energia ( píons , kaons , etc.) penetram no detector a uma velocidade quase constante e geram pares de elétron-buraco com densidade uniforme ao longo de seu caminho. Essa densidade é quase independente da energia das partículas e proporcional ao quadrado de sua carga elétrica. Em contraste, prótons e núcleos (carregados) geram uma densidade de ionização que também é proporcional ao quadrado de sua carga, mas inversamente proporcional à sua energia.

Nêutrons ou prótons muito rápidos também podem gerar sinais em detectores de semicondutores, e. B. colide com um núcleo atômico, que por sua vez gera pares elétron-buraco. No entanto, a probabilidade disso é baixa. Por esse motivo, os detectores de semicondutores são menos adequados para detectar essas partículas.

Veja também

• Detector de desvio de silício

literatura

• Gerhard Lutz: Detectores de radiação de semicondutores . Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1999, ISBN 978-3-540-71678-5 . 
• Glenn F. Knoll: Detecção e medição de radiação. John Wiley & Sons, New York 1979, ISBN 0-471-49545-X .

Links da web

• Detector de semicondutor (fundamentos da física de partículas)
• Martin zur Nedden: Capítulo 6: Detectores de semicondutores. (Notas de aula na disciplina eletiva obrigatória de física de partículas, Humboldt University of Berlin, semestre de verão de 2006; PDF; 561 kB) Em: Detectores em física de partículas elementares. 2006, acessado em 26 de maio de 2009 . 
• Comparação da resolução de energia de um detector semicondutor Ge (Li) e um cintilador NaI (Tl)

Evidência individual

1. ↑ Consulte também RD50 (Dispositivos semicondutores rígidos de radiação para coletores de luminosidade muito alta), uma associação de pesquisa internacional do CERN que está desenvolvendo detectores de semicondutores rígidos de radiação para experimentos futuros em aceleradores com luminosidades mais altas.
2. ↑ Rudolf Nicoletti, Michael Oberladstätter e Franz König: Metrologia e Instrumentação em Medicina Nuclear: Uma Introdução . facultas.wuv Universitätsverlag, 2010, ISBN 978-3-7089-0619-5 , p. 69 ( visualização limitada na pesquisa de livros do Google).