bibliografia | home

Idea i własności detektorów półprzewodnikowych

Zasada pracy półprzewodnikowych detektorów promieniowania jonizującego opiera się na wykorzystaniu właściwości złącza detektorów p-n spolaryzowanego w kierunku zaporowym. W roku 1951 zaobserwowano, że cząstki, przechodząc przez germanowe złącze detektorów -n spolaryzowane zaporowo, generują mierzalny sygnał. Dało to początek zastosowaniom detektorów półprzewodnikowych w fizyce cząstek.
Detektory półprzewodnikowe to elektroniczne (czynne) detektory promieniowania jonizującego zbudowane z materiału półprzewodnikowego. Detektor półprzewodnikowy jest dużą diodą (złącze p-n) spolaryzowaną zaporowo.

Dlaczego półprzewodniki?
Półprzewodniki to substancje zachowujące się w pewnych warunkach jak dielektryk, a w innych jak przewodnik. Typowymi półprzewodnikami są: krzem, german, arsenek galu lub antymonek galu. Półprzewodniki mają małą szerokość pasma wzbronionego.
Ze względu na typ przewodnictwa wyróżnia się półprzewodniki typu n - inaczej nadmiarowe (występuje tu przewodnictwo elektronowe, liczba elektronów w paśmie przewodnictwa przekracza liczbę dziur przewodzących w paśmie walencyjnym, uzyskuje się je przez domieszkowanie krzemu lub germanu pierwiastkami V grupy nazywanymi donorami) oraz typu p - inaczej niedomiarowe (występuje w nich przewodnictwo dziurowe w paśmie walencyjnym, liczba dziur przekracza liczbę elektronów w paśmie przewodnictwa, uzyskuje się je przez domieszkowanie krzemu lub germanu pierwiastkami III grupy nazywanymi akceptorami). Odkrycie półprzewodników i wynalezienie licznych ich zastosowań spowodowało rewolucyjny postęp w elektronice (dioda półprzewodnikowa, tranzystor itd.).

W detektorach półprzewodnikowych napięcie polaryzujące, materiał półprzewodnikowy i szczegóły konstrukcji zależą od rodzaju rejestrowanego promieniowania. Do rejestracji kwantów gamma wykorzystuje się duże monokryształy germanu typu p (lub czasem n).

W przypadku promieniowania rentgenowskiego oraz cząstek naładowanych (głównie alfa) stosuje się monokryształy krzemu. Krzemowe detektory rentgenowskie są zazwyczaj większej objętości niż detektory cząstek alfa, w których, ze względu na małą przenikliwość cząstek alfa złącze p-n musi znajdować się praktycznie na powierzchni detektora.

W celu zmniejszenia szumów detektory kwantów gamma i rentgenowskich chłodzone są zazwyczaj ciekłym azotem, detektory cząstek naładowanych ze względu na mniejsze szumy (mniejszą objętość czynną) pracują w temperaturze pokojowej.

W detektorze półprzewodnikowym istnieje obszar (objętość czynna), w którym brak swobodnych elektronów lub dziur przewodzących. Detektory o płaskiej objętości czynnej nazywane są planarnymi, a o symetrii walcowej - koaksialnymi. Cząstka jonizująca przenikająca przez objętość czynną wytwarza tam ładunki, których suma jest proporcjonalna do energii cząstki. Wysokie napięcie polaryzujące diodę (tj. detektor) powoduje dryf ładunków i pojawienie się sygnału prądowego.

Ze względu na proporcjonalność sygnału do energii padającej cząstki detektory półprzewodnikowe wykorzystuje się w układach spektrometrycznych (promieniowania alfa, gamma lub rentgenowskiego).
(Źródło: http://wiem.onet.pl/wiem/00f947.html)

Podstawą działania detektora półprzewodnikowego tak jak zostało to opisane, są procesy jonizacji wywołane przez cząstki naładowane w warstwie styku materiałów o przewodnictwie typu n (elektronowym) i typu p (dziurowym). Wskutek oddziaływania cząstki naładowanej przechodzącej przez izolator z elektronami z pasma walencyjnego, część z nich zostaje przeniesiona do pasma przewodnictwa, (co jest procesem podobnym do jonizacji). Pojawienie się nośników prądu w izolatorze powoduje powstanie impulsu napięcia. Impuls ten związany jest zarówno z ruchem elektronów a paśmie przewodnictwa jak i przemieszczaniem się dziur (pozostawionych przez elektrony) w paśmie walencyjnym, co jest równoważne ruchowi ładunku dodatniego.

(*)Model pasmowy półprzewodników:

Polaryzacja złącza:

Cząstka jonizująca przechodzi przez złącze ->generacja pary (elektron, dziura) ->zbieranie ładunku = impuls (jak w komorze jonizacyjnej) proporcjonalny do ładunku (energii)