Was ist der Vor- und Nachteil von Halbleiterdetektoren – Definition

Ein  Halbleiterdetektor  ist ein Strahlungsdetektor, der auf einem Halbleiter wie  Silizium  oder  Germanium basiert   , um die Wirkung einfallender geladener Teilchen oder Photonen zu messen. Halbleiterdetektoren  werden häufig im  Strahlenschutz , in der Untersuchung radioaktiver Materialien und in der Physikforschung eingesetzt, da sie einige einzigartige Merkmale aufweisen, kostengünstig und dennoch mit guter Effizienz hergestellt werden können und sowohl die Intensität als auch die Energie der einfallenden Strahlung messen können. Diese Detektoren werden zur Messung der Strahlungsenergie und zur Identifizierung von Partikeln eingesetzt. Von den verfügbaren Halbleitermaterialien   wird hauptsächlich Silizium für verwendet Detektoren  für geladene Teilchen (insbesondere zur Verfolgung geladener Teilchen) und weiche Röntgendetektoren, während  Germanium  für die Gammastrahlenspektroskopie weit verbreitet ist  . Ein großer, sauberer und nahezu perfekter Halbleiter ist ideal als Zähler für  Radioaktivität . Es ist jedoch schwierig, große Kristalle mit ausreichender Reinheit herzustellen. Die Halbleiterdetektoren haben daher einen geringen Wirkungsgrad, geben jedoch ein sehr genaues Maß für die Energie. Halbleiterdetektoren, insbesondere auf  Germanium basierende Detektoren , werden am häufigsten dort eingesetzt, wo eine sehr gute Energieauflösung erforderlich ist. Um eine maximale Effizienz zu erreichen, müssen die Detektoren bei  sehr niedrigen Temperaturen von flüssigem Stickstoff (-196 ° C) arbeiten.. Der Nachteil ist daher, dass Halbleiterdetektoren viel teurer als andere Detektoren sind und eine ausgeklügelte Kühlung erfordern, um Leckströme (Rauschen) zu reduzieren.

Vor- und Nachteile von Halbleiterdetektoren

Vorteile von HPGe Detektoren

• Höhere Ordnungszahl. Germanium wird bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung mit Gammastrahlen erhöht.
• Germanium hat eine niedrigere durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Elektronen-Loch-Paares erforderlich ist: 3,6 eV für Silizium und 2,9 eV für Germanium.
• Sehr gute Energieauflösung . Das FWHM für Germaniumdetektoren ist eine Funktion der Energie. Für ein 1,3-MeV-Photon beträgt die FWHM 2,1 keV, was sehr niedrig ist.
• Große Kristalle . Während Detektoren auf Siliziumbasis nicht dicker als ein paar Millimeter sein können, kann Germanium eine abgereicherte, empfindliche Dicke von Zentimetern aufweisen und kann daher als Totalabsorptionsdetektor für Gammastrahlen bis zu wenigen MeV verwendet werden.

Nachteile von HPGe Detektoren

• Abkühlen . Der Hauptnachteil von HPGe-Detektoren besteht darin, dass sie auf Temperaturen von flüssigem Stickstoff abgekühlt werden müssen. Da Germanium eine relativ geringe Bandlücke aufweist , müssen diese Detektoren gekühlt werden, um die thermische Erzeugung von Ladungsträgern auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren . Andernfalls zerstört durch leckstrominduziertes Rauschen die Energieauflösung des Detektors. Erinnern wir uns , dass die Bandlücke (ein Abstand zwischen Valenz und Leitungsband ) für Germanium sehr gering ist (Egap = 0,67 eV). Durch Abkühlen auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff (-195,8 ° C) werden thermische Anregungen von Valenzelektronen verringert, so dass nur durch eine Gammastrahlenwechselwirkung einem Elektron die Energie verliehen werden kann, die erforderlich ist, um die Bandlücke zu überqueren und das Leitungsband zu erreichen.
• Preis . Der Nachteil ist, dass Germaniumdetektoren wesentlich teurer sind als Ionisationskammern oder Szintillationszähler .

Vorteile von Siliziumdetektoren

• Im Vergleich zu gasförmigen Ionisationsdetektoren ist die Dichte eines Halbleiterdetektors sehr hoch, und geladene Teilchen mit hoher Energie können ihre Energie in einem Halbleiter mit relativ kleinen Abmessungen abgeben.
• Silizium hat eine hohe Dichte von 2,329 g / cm ³ und daher ermöglicht der durchschnittliche Energieverlust pro Längeneinheit den Bau dünner Detektoren (z. B. 300 um), die noch messbare Signale erzeugen. Beispielsweise beträgt im Fall eines minimalen ionisierenden Partikels (MIP) der Energieverlust 390 eV / um. Die Siliziumdetektoren sind mechanisch starr und daher sind keine speziellen Stützstrukturen erforderlich.
• Detektoren auf Siliziumbasis eignen sich sehr gut zur Verfolgung geladener Teilchen. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil des Detektionssystems am LHC im CERN.
• Siliziumdetektoren können in starken Magnetfeldern eingesetzt werden.

Nachteile von Siliziumdetektoren

• Preis . Der Nachteil ist, dass Siliziumdetektoren viel teurer sind als Wolkenkammern oder Drahtkammern.
• Abbau . Sie werden im Laufe der Zeit auch durch Strahlung abgebaut, dies kann jedoch dank des Lazarus-Effekts stark reduziert werden.
• Hohe FWHM . In der Gammaspektroskopie wird Germanium bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und die Wahrscheinlichkeit einer Gammastrahlenwechselwirkung erhöht. Darüber hinaus hat Germanium eine niedrigere durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares erforderlich ist, nämlich 3,6 eV für Silizium und 2,9 eV für Germanium. Dies bietet letzteren auch eine bessere Energieauflösung.