Detector de semiconductores
Un detector de semiconductores es un detector de partículas o radiación en el que se utilizan las propiedades eléctricas especiales de los semiconductores para detectar la radiación ionizante . La radiación genera portadores de carga gratuita en el semiconductor que migran a electrodos metálicos. Esta señal de corriente se amplifica y evalúa. Los detectores de semiconductores se utilizan, por ejemplo, en espectroscopia , física nuclear y física de partículas .
Principio de funcionamiento
En pocas palabras, el detector es un diodo al que se aplica un voltaje de CC en la dirección inversa, de modo que normalmente no fluye corriente. Si la radiación incidente genera pares de agujeros de electrones en el material , es decir, portadores de carga libres, estos migran en el campo eléctrico a los electrodos y se pueden medir como un pulso de corriente.
El número de pares de electrones y huecos que libera una partícula o cuanto de la radiación incidente depende, además de su energía, en gran medida de la energía de la banda prohibida del material utilizado. Dependiendo del tipo de radiación ionizante, las nubes de carga generadas en el detector surgen de diferentes formas y se distribuyen de manera diferente en el volumen. Una partícula cargada crea una pista de ionización a lo largo de su camino. Un fotón , por otro lado, puede usar el efecto fotoeléctrico para liberar la carga completa correspondiente a su energía prácticamente en un punto liberándola a un electrón secundario . En competencia con el efecto fotográfico , el efecto Compton se produce con una energía fotónica más alta , en la que solo una parte de la energía se transfiere al electrón y se deposita en el detector.
solicitud
Los detectores de semiconductores se utilizan debido a su alta resolución energética y, con la estructura adecuada, a su sensibilidad de ubicación (detectores sensibles a la posición). Se utilizan z. B. en análisis de fluorescencia de rayos X , espectroscopia gamma , espectroscopia alfa y física de partículas . Un ejemplo de este último es el Semiconductor Tracker (SCT) del detector ATLAS .
Radiación electromagnética
Con la absorción de radiación ultravioleta de alta energía ( UV de vacío , UV extrema ), así como rayos X y radiación gamma , primero se eleva un electrón primario desde la banda de valencia a la banda de conducción . Su energía cinética es muy alta, por lo que se forman numerosos electrones secundarios y fonones . La generación de partículas secundarias es un proceso estadístico. Con la misma energía inicial, no siempre surge el mismo número de portadores de carga. El rango de partículas secundarias es relativamente corto. En comparación con los procesos de ionización provocados por partículas cargadas, los portadores de carga se generan en un área muy pequeña.
Para lograr una alta probabilidad de detección, para la radiación gamma se utilizan semiconductores con un número atómico elevado como el germanio , el arseniuro de galio o el telururo de cadmio . Además, es necesario un espesor relativamente grande del monocristal . Los detectores de semiconductores hechos de germanio, como el detector HP-Ge que se muestra , deben enfriarse a la temperatura del nitrógeno líquido (77 K) porque tienen una corriente de fuga muy alta a temperatura ambiente, lo que destruiría el detector al voltaje de operación requerido. Los detectores de germanio derivado de litio utilizados anteriormente (nombre común: detector Ge (Li) ) así como los detectores de silicio derivado de litio ( detector Si (Li)) que todavía se utilizan hoy en día deben enfriarse constantemente, porque el almacenamiento a temperatura ambiente significa que el litio Destruiría la difusión . El enfriamiento también reduce el ruido inherente.
Véase también el sensor de imagen de rayos X .
Radiación alfa
La profundidad de penetración de las partículas alfa es relativamente pequeña, aproximadamente 25 µm, ya que su capacidad de ionización es muy alta. Según la ecuación de Bethe-Bloch , la pérdida de ionización de las partículas cargadas depende de Z² / v² , por lo que aumenta con un número atómico mayor y una velocidad menor . Por lo tanto, la densidad de los pares de electrones y huecos aumenta con la profundidad, porque la velocidad de la partícula alfa disminuye cuando penetra. Tiene un máximo claro en el punto final ( curva de Bragg ).
Radiación beta
En comparación con las partículas alfa, los electrones tienen un orden de magnitud menor a la masa y la mitad de la carga eléctrica . Por tanto, su capacidad de ionización es mucho menor. Por lo tanto, la radiación beta relativista (de alta energía) penetra significativamente más profundamente en el detector o lo penetra por completo y crea una densidad uniforme de pares de electrones y agujeros a lo largo de su trayectoria. Si se libera la mayor parte de su energía, entonces, al igual que las partículas alfa, se produce una ionización más alta en el punto final de su órbita. Los electrones de energía extremadamente baja ya no generan portadores de carga e interactúan principalmente con fonones .
Otros tipos de partículas
Las partículas cargadas con alta energía ( piones , kaones , etc.) penetran en el detector a una velocidad casi constante y generan pares de electrones y huecos con una densidad uniforme a lo largo de su trayectoria. Esta densidad es casi independiente de la energía de las partículas y proporcional al cuadrado de su carga eléctrica. Por el contrario, los protones y los núcleos (cargados) generan una densidad de ionización que también es proporcional al cuadrado de su carga, pero inversamente proporcional a su energía.
Los neutrones o protones muy rápidos también pueden generar señales en detectores de semiconductores, p. Ej. B. chocan con un núcleo atómico, que a su vez genera pares de electrones y huecos. Sin embargo, la probabilidad de que esto ocurra es baja. Por esta razón, los detectores de semiconductores son menos adecuados para detectar estas partículas.
Ver también
literatura
- Gerhard Lutz: Detectores de radiación de semiconductores . Springer-Verlag Berlín Heidelberg, 1999, ISBN 978-3-540-71678-5 .
- Glenn F. Knoll: Detección y medición de radiación. John Wiley & Sons, Nueva York 1979, ISBN 0-471-49545-X .
enlaces web
- Detector de semiconductores (fundamentos de la física de partículas)
- Martin zur Nedden: Capítulo 6: Detectores de semiconductores. (Apuntes de la asignatura optativa obligatoria física de partículas, Humboldt-Universität zu Berlin, semestre de verano de 2006; PDF; 561 kB) En: Detectores en física de partículas elementales. 2006, consultado el 26 de mayo de 2009 .
- Comparación de la resolución de energía de un detector semiconductor Ge (Li) y un centelleador NaI (Tl)
Evidencia individual
- ↑ Ver también RD50 (Dispositivos semiconductores duros de radiación para colisionadores de muy alta luminosidad), una asociación internacional de investigación en el CERN que está desarrollando detectores de semiconductores duros de radiación para futuros experimentos en aceleradores con las mayores luminosidades.
- ↑ Rudolf Nicoletti, Michael Oberladstätter y Franz König: Metrología e instrumentación en medicina nuclear: una introducción . facultas.wuv Universitätsverlag, 2010, ISBN 978-3-7089-0619-5 , pág. 69 ( vista previa limitada en la búsqueda de libros de Google).