¿Cuál es el principio de funcionamiento de los detectores HPGe? Definición

Detectores de germanio de alta pureza ( detectores de HPGe ) son la mejor solución para precisa gamma y espectroscopia de rayos x . En comparación con los detectores de silicio , el germanio es mucho más eficiente que el silicio para la detección de radiación debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y debido a la menor energía promedio necesaria para crear un par de agujeros de electrones , que es 3.6 eV para silicio y 2.9 eV para germanio Debido a su mayor número atómico, Ge tiene un coeficiente de atenuación lineal mucho más lager, lo que conduce a una ruta libre media más corta. Además, los detectores de silicio no pueden ser más gruesos que unos pocos milímetros, mientras que el germanio puede tener un agotamiento,espesor sensible de centímetros y, por lo tanto, se puede utilizar como detector de absorción total para rayos gamma de hasta pocos MeV.

Para lograr la máxima eficiencia, los detectores HPGe deben funcionar a temperaturas muy bajas de nitrógeno líquido (-196 ° C), porque a temperaturas ambiente el ruido causado por la excitación térmica es muy alto.

Detector HPGe – Principio de funcionamiento

El funcionamiento de los detectores de semiconductores se resume en los siguientes puntos:

• La radiación ionizante ingresa al volumen sensible ( cristal de germanio ) del detector e interactúa con el material semiconductor.
• El fotón de alta energía que pasa a través del detector ioniza los átomos de los semiconductores, produciendo los pares de electrones . El número de pares de electrones es proporcional a la energía de la radiación al semiconductor. Como resultado, se transfieren varios electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción, y se crea un número igual de agujeros en la banda de valencia.
• Dado que el germanio puede tener un espesor de centímetros agotado y sensible, pueden absorber fotones de alta energía totalmente  (hasta pocos MeV).
• Bajo la influencia de un campo eléctrico, los electrones y los agujeros viajan a los electrodos, donde producen un pulso que se puede medir en un circuito externo.
• Este pulso lleva información sobre la energía de la radiación incidente original. El número de tales pulsos por unidad de tiempo también proporciona información sobre la intensidad de la radiación.

En todos los casos, un fotón deposita una parte de su energía a lo largo de su trayectoria y puede ser absorbido totalmente. La absorción total de un fotón de 1 MeV produce alrededor de 3 x 10 ⁵ pares de electrones. Este valor es menor en comparación con el número total de portadores libres en un semiconductor intrínseco de 1 cm ³ . La partícula que pasa a través del detector ioniza los átomos del semiconductor, produciendo los pares de electrones. Pero en los detectores basados ​​en germanio a temperatura ambiente, la excitación térmica es dominante. Es causada por impurezas, irregularidades en la estructura reticular o por dopante . Depende mucho de la _brecha E(una distancia entre la valencia y la banda de conducción), que es muy baja para germanio (Egap = 0,67 eV). Dado que la excitación térmica produce el ruido del detector, se requiere enfriamiento activo para algunos tipos de semiconductores (por ejemplo, germanio).

Tenga en cuenta que una muestra de 1 cm ³ de germanio puro a 20 ° C contiene aproximadamente 4.2 × 10 ²² átomos, pero también contiene aproximadamente 2.5 x 10 ¹³ electrones libres y 2.5 x 10 ¹³ agujeros generados constantemente a partir de energía térmica. Como se puede ver, la relación señal / ruido (S / N) sería mínima (compárela con 3 x 10 ⁵ pares de electrones). La adición de 0.001% de arsénico (una impureza) dona un extra de 10 ¹⁷electrones libres en el mismo volumen y la conductividad eléctrica se incrementa en un factor de 10,000. En material dopado, la relación señal / ruido (S / N) sería aún menor. Debido a que el germanio tiene un intervalo de banda relativamente bajo, estos detectores deben enfriarse para reducir la generación térmica de portadores de carga (por lo tanto, invertir la corriente de fuga) a un nivel aceptable. De lo contrario, el ruido inducido por la corriente de fuga destruye la resolución energética del detector.