Was ist Halbleiterdetektor – 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. Strahlendosimetrie
Siliziumstreifendetektor - Halbleiter
Silicin Strip Detector Quelle: micronsemiconductor.co.uk

Ein Halbleiterdetektor ist ein Strahlungsdetektor, der auf einem Halbleiter wie Silizium oder Germanium basiert , um die Wirkung einfallender geladener Teilchen oder Photonen zu messen. Halbleiter sind im Allgemeinen anorganische oder organische Materialien, deren Leitfähigkeit von der chemischen Struktur, der Temperatur, der Beleuchtung und dem Vorhandensein von Dotierstoffen abhängt. Der Name Halbleiter kommt von der Tatsache, dass diese Materialien eine elektrische Leitfähigkeit zwischen einem Metall wie Kupfer, Gold usw. und einem Isolator wie Glas aufweisen. Sie haben eine Energielücke von weniger als 4 eV (etwa 1 eV). In der Festkörperphysik ist diese Energielücke oder Bandlücke ein Energiebereich zwischenValenzband und Leitungsband, in denen Elektronenzustände verboten sind. Im Gegensatz zu Leitern müssen Elektronen in einem Halbleiter Energie (z. B. aus ionisierender Strahlung ) gewinnen, um die Bandlücke zu überqueren und das Leitungsband zu erreichen.

Halbleiterdetektoren funktionieren sehr ähnlich wie Photovoltaikmodule, die elektrischen Strom erzeugen. In ähnlicher Weise kann ein Strom durch ionisierende Strahlung induziert werden. Wenn ionisierende Strahlung in den Halbleiter eintritt, interagiert sie mit dem Halbleitermaterial. Es kann ein Elektron aus seinem Energieniveau anregen und folglich ein Loch hinterlassen. Dieser Vorgang wird als Elektron-Loch-Paarbildung bezeichnet . In Halbleiterdetektoren sind die grundlegenden Informationsträger diese Elektron-Loch-Paare, die auf dem Weg des geladenen Teilchens (primär oder sekundär) durch den Detektor erzeugt werden. Durch Sammeln von Elektronen-Loch-Paaren wird das Erfassungssignal gebildet und aufgezeichnet.

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 Silizium hauptsächlich für Detektoren für geladene Teilchen (insbesondere zum Verfolgen geladener Teilchen) und weiche Röntgendetektoren verwendet, während Germanium für die Gammastrahlenspektroskopie weit verbreitet ist . Ein großer, sauberer und nahezu perfekter Halbleiter ist ideal als Zähler fürRadioaktivität . 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.

Funktionsprinzip von Halbleiterdetektoren  

Der Betrieb von Halbleiterdetektoren wird in folgenden Punkten zusammengefasst:

  • Ionisierende Strahlung tritt in das empfindliche Volumen des Detektors ein und interagiert mit dem Halbleitermaterial.
  • Durch den Detektor laufende Teilchen ionisieren die Halbleiteratome und erzeugen die Elektron-Loch-Paare . Die Anzahl der Elektron-Loch-Paare ist proportional zur Energie der Strahlung zum Halbleiter. Infolgedessen wird eine Anzahl von Elektronen vom Valenzband auf das Leitungsband übertragen, und eine gleiche Anzahl von Löchern wird im Valenzband erzeugt.
  • Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes wandern Elektronen und Löcher zu den Elektroden, wo sie zu einem Impuls führen , der in einem äußeren Stromkreis gemessen werden kann.
  • Dieser Impuls enthält Informationen über die Energie der ursprünglich einfallenden Strahlung. Die Anzahl solcher Impulse pro Zeiteinheit gibt auch Auskunft über die Intensität der Strahlung.

Die zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren erforderliche Energie ist im Vergleich zu der zur Erzeugung gepaarter Ionen in einem Gasionisationsdetektor erforderlichen Energie sehr gering . Bei Halbleiterdetektoren ist die statistische Variation der Impulshöhe kleiner und die Energieauflösung höher. Da sich die Elektronen schnell bewegen, ist auch die Zeitauflösung sehr gut. 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.

Halbleiterdetektoren auf Siliziumbasis

Halbleiterdetektoren auf Siliziumbasis werden hauptsächlich für Detektoren geladener Teilchen (insbesondere zum Verfolgen geladener Teilchen ) und weiche Röntgendetektoren verwendet, während Germanium häufig für die Gammastrahlenspektroskopie verwendet wird. 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. Detektoren auf Siliziumbasis weisen selbst bei Raumtemperatur ein ausreichend geringes Rauschen auf. Dies wird durch die große Bandlücke verursachtaus Silizium (Egap = 1,12 eV), wodurch wir den Detektor bei Raumtemperatur betreiben können, aber die Kühlung wird bevorzugt, um das Rauschen zu reduzieren. Der Nachteil ist, dass Siliziumdetektoren viel teurer sind als Wolkenkammern oder Drahtkammern und eine ausgeklügelte Kühlung erfordern, um Leckströme (Rauschen) zu reduzieren. Sie werden im Laufe der Zeit auch durch Strahlung abgebaut, dies kann jedoch dank des Lazarus-Effekts stark reduziert werden.

Anwendung von Siliziumdetektoren

Da Detektoren auf Siliziumbasis sehr gut zur Verfolgung geladener Teilchen geeignet sind, bilden sie einen wesentlichen Teil des Detektionssystems am LHC im CERN. Die meisten Siliziumpartikeldetektoren arbeiten im Prinzip, indem sie schmale (normalerweise etwa 100 Mikrometer breite) Siliziumstreifen dotieren , um sie in Dioden umzuwandeln, die dann in Sperrrichtung vorgespannt werden. Wenn geladene Teilchen diese Streifen passieren, verursachen sie kleine Ionisationsströme, die erfasst und gemessen werden können. Das Anordnen von Tausenden dieser Detektoren um einen Kollisionspunkt in einem Teilchenbeschleuniger kann ein genaues Bild davon liefern, welchen Weg Teilchen nehmen. Beispielsweise enthält das Inner Tracking System (ITS) eines Large Ion Collider-Experiments (ALICE) drei Schichten von Detektoren auf Siliziumbasis:

  • Silizium-Pixeldetektor (SPD)
  • Silicon Drift Detector (SDD)
  • Silicon Strip Detector (SSD)

Siliziumstreifendetektoren

Detektoren auf Siliziumbasis eignen sich sehr gut zur Verfolgung geladener Teilchen. Ein Siliziumstreifendetektor ist eine Anordnung von streifenförmig geformten Implantaten, die als Ladungssammelelektroden wirken.

Siliziumstreifendetektoren mit einer Fläche von 5 x 5 cm 2 sind weit verbreitet und werden in Reihe verwendet (genau wie Ebenen von MWPCs) Trajektorien geladener Teilchen mit Positionsgenauigkeiten in der Größenordnung von mehreren μm in Querrichtung zu bestimmen. Diese Implantate werden auf einem niedrig dotierten, vollständig abgereicherten Siliziumwafer platziert und bilden eine eindimensionale Anordnung von Dioden. Durch Verbinden jedes der metallisierten Streifen mit einem ladungsempfindlichen Verstärker wird ein positionsempfindlicher Detektor aufgebaut. Zweidimensionale Positionsmessungen können durch Aufbringen einer zusätzlichen streifenartigen Dotierung auf die Waferrückseite unter Verwendung einer doppelseitigen Technologie erreicht werden. Solche Vorrichtungen können verwendet werden, um kleine Aufprallparameter zu messen und dadurch zu bestimmen, ob ein geladenes Teilchen aus einer Primärkollision stammt oder das Zerfallsprodukt eines Primärteilchens war, das eine kleine Strecke von der ursprünglichen Wechselwirkung zurückgelegt und dann zerfallen ist.

Siliziumstreifendetektoren sind ein wesentlicher Bestandteil des Detektionssystems am LHC im CERN. Die meisten Siliziumpartikeldetektoren arbeiten im Prinzip, indem sie schmale (normalerweise etwa 100 Mikrometer breite) Siliziumstreifen dotieren, um sie in Dioden umzuwandeln, die dann in Sperrrichtung vorgespannt werden. Wenn geladene Teilchen diese Streifen passieren, verursachen sie kleine Ionisationsströme, die erfasst und gemessen werden können. Das Anordnen von Tausenden dieser Detektoren um einen Kollisionspunkt in einem Teilchenbeschleuniger kann ein genaues Bild davon liefern, welchen Weg Teilchen nehmen.

Beispielsweise enthält das Inner Tracking System (ITS) eines Large Ion Collider-Experiments (ALICE) drei Schichten von Detektoren auf Siliziumbasis:

  • Silizium-Pixeldetektor (SPD)
  • Silicon Drift Detector (SDD)
  • Silicon Strip Detector (SSD)

Delta E – E Detektor – Teleskop

Delta E - E Teleskop - Diagramm
Beispiel eines Histogramms vom ΔE-E-Detektor. Jede hyperbolaähnliche Kurve repräsentiert unterschiedliche Partikel im Strahl.

In der experimentellen Physik sind ΔE-E-Detektoren , sogenannte Teleskope , leistungsstarke Geräte zur Identifizierung geladener Teilchen . Zur Identifizierung geladener Teilchen können Teleskope verwendet werden, die aus Paaren dünner und dicker Oberflächensperrendetektoren bestehen . Diese Detektoren müssen in Reihe geschaltet werden. Die Geschwindigkeit wird aus der in den Dünndetektoren ( ΔE-Detektoren ) gemessenen Bremskraft abgeleitet . Es besteht eine starke Korrelation zwischen der in jedem Detektor abgelagerten Energie. Diese Korrelation hängt von der Masse (A), der Ladung (Z) und der kinetischen Energie (E) jedes Teilchens ab. Die Masse wird aus dem Bereich oder aus dem gesamten kinetischen Energieverlust im dickeren Detektor abgeleitet (E Detektor ).

Teleskope können aus mehreren Detektoren bestehen ( z. B. Ionisationskammern , Siliziumdetektoren und Szintillatoren ), die gestapelt sind, um einfallende geladene Teilchen zu verlangsamen, wobei der erste Detektor der dünnste und der letzte der dickste ist. CsI-Szintillationszähler können beispielsweise als endgültige E-Zähler verwendet werden. Als Beispiel eines Teleskops kann eine Anordnung verwendet werden, die auf zwei vorderen ΔE-Siliziumdetektoren (10 oder 30 um) und einem 1500 um dicken E-Siliziumzähler basiert, um hochenergetische geladene Teilchen zu detektieren.

Germanium-basierte Halbleiterdetektoren

Halbleiterdetektoren auf Germaniumbasis werden am häufigsten dort eingesetzt, wo eine sehr gute Energieauflösung erforderlich ist, insbesondere für die Gammaspektroskopiesowie Röntgenspektroskopie. 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. Ein großer, sauberer und nahezu perfekter Germaniumhalbleiter ist ideal als Zähler für Radioaktivität. Es ist jedoch schwierig und teuer, große Kristalle mit ausreichender Reinheit herzustellen. Während Detektoren auf Siliziumbasis nicht dicker als einige Millimeter sein können, kann Germanium eine abgereicherte, empfindliche Dicke von Zentimetern aufweisen und kann daher als Gesamtabsorptionsdetektor für Gammastrahlen bis zu wenigen MeV verwendet werden.

Um einen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen, müssen die Detektoren andererseits bei sehr niedrigen Temperaturen von flüssigem Stickstoff (-196 ° C) arbeiten, da bei Raumtemperaturen das durch thermische Anregung verursachte Rauschen sehr hoch ist.

Da Germaniumdetektoren die höchste heute übliche Auflösung erzeugen, werden sie zur Messung der Strahlung in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich Personal- und Umweltüberwachung auf radioaktive Kontamination, medizinische Anwendungen, radiometrische Tests, nukleare Sicherheit und Sicherheit von Kernkraftwerken.

Anwendung von Germaniumdetektoren – Gammaspektroskopie

Wie bereits geschrieben, wird das Studium und die Analyse von Gammastrahlenspektren für wissenschaftliche und technische Zwecke als Gammaspektroskopie bezeichnet, und Gammastrahlenspektrometer sind die Instrumente, die solche Daten beobachten und sammeln. Ein Gammastrahlenspektrometer (GRS) ist ein hoch entwickeltes Gerät zur Messung der Energieverteilung von Gammastrahlung. Für die Messung von Gammastrahlen über mehreren hundert keV gibt es zwei Detektorkategorien von großer Bedeutung,  anorganische Szintillatoren wie NaI (Tl) –  und  Halbleiterdetektoren. In den vorhergehenden Artikeln haben wir die Gammaspektroskopie unter Verwendung eines Szintillationsdetektors beschrieben, der aus einem geeigneten Szintillatorkristall, einer Fotovervielfacherröhre und einer Schaltung zum Messen der Höhe der vom Fotovervielfacher erzeugten Impulse besteht. Die Vorteile eines Szintillationszählers sind seine Effizienz (große Größe und hohe Dichte) und die möglichen hohen Präzisions- und Zählraten. Aufgrund der hohen Atomzahl von Jod führt eine große Anzahl aller Wechselwirkungen zu einer vollständigen Absorption der Gammastrahlenenergie, so dass der Photofraktion hoch ist.

HPGe-Detektor mit LN2-Kryostat Quelle: canberra.com

Wenn jedoch eine  perfekte Energieauflösung  erforderlich ist, müssen wir einen Detektor auf  Germaniumbasis wie den  HPGe-Detektor verwenden . Halbleiterdetektoren auf Germaniumbasis werden am häufigsten dort eingesetzt, wo eine sehr gute Energieauflösung erforderlich ist, insbesondere für die  Gammaspektroskopie sowie für die  Röntgenspektroskopie. 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. Das FWHM (volle Breite bei halbem Maximum) für Germaniumdetektoren ist eine Funktion der Energie. Für ein 1,3-MeV-Photon beträgt die FWHM 2,1 keV, was sehr niedrig ist.

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: translations@nuclear-power.net oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.