¿Qué es la ventaja y la desventaja de los detectores de semiconductores? Definición

Un  detector de semiconductores  es un detector de radiación que se basa en un  semiconductor , como el  silicio  o el  germanio,  para medir el efecto de partículas o fotones cargados incidentes. Los detectores de semiconductores  se utilizan ampliamente en  la protección contra la radiación , el ensayo de materiales radiactivos y la investigación física porque tienen algunas características únicas, se pueden fabricar de forma económica pero con buena eficiencia, y pueden medir tanto la intensidad como la energía de la radiación incidente. Estos detectores se emplean para medir la energía de la radiación y para la identificación de partículas. De los materiales semiconductores disponibles, el  silicio  se utiliza principalmente para detectores de partículas cargadas  (especialmente para rastrear partículas cargadas) y detectores de rayos X blandos, mientras que el  germanio  se usa ampliamente para  la espectroscopía de rayos gamma . Un semiconductor grande, limpio y casi perfecto es ideal como contador de  radiactividad . Sin embargo, es difícil hacer cristales grandes con suficiente pureza. Los detectores de semiconductores tienen, por lo tanto, baja eficiencia, pero dan una medida muy precisa de la energía. Los detectores de semiconductores, especialmente  los detectores basados ​​en germanio , se usan con mayor frecuencia cuando se requiere una muy buena resolución de energía. Para lograr la máxima eficiencia, los detectores deben funcionar a  temperaturas muy bajas de nitrógeno líquido (-196 ° C). Por lo tanto, el inconveniente es que los detectores de semiconductores son mucho más caros que otros detectores y requieren un enfriamiento sofisticado para reducir las corrientes de fuga (ruido).

Ventajas y desventajas de los detectores de semiconductores

Ventajas de los detectores HPGe

• Mayor número atómico. Se prefiere el germanio debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y que aumenta la probabilidad de interacción de rayos gamma.
• El germanio tiene una energía promedio más baja necesaria para crear un par de electrones, que es 3.6 eV para silicio y 2.9 eV para germanio.
• Muy buena resolución energética . El FWHM para detectores de germanio es una función de la energía. Para un fotón de 1.3 MeV, el FWHM es 2.1 keV, que es muy bajo.
• Los cristales grandes . Si bien los detectores a base de silicio no pueden ser más gruesos que unos pocos milímetros, el germanio puede tener un espesor de centímetros agotado y sensible y, por lo tanto, puede usarse como un detector de absorción total para rayos gamma de hasta pocos MeV.

Desventajas de los detectores HPGe

• Enfriamiento . El principal inconveniente de los detectores HPGe es que deben enfriarse a temperaturas de nitrógeno líquido. 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 a un nivel aceptable. De lo contrario, el ruido inducido por la corriente de fuga destruye la resolución energética del detector. Recuerde, la brecha de banda (una distancia entre la valencia y la banda de conducción ) es muy baja para germanio (Egap = 0.67 eV). El enfriamiento a la temperatura del nitrógeno líquido (-195.8 ° C; -320 ° F) reduce las excitaciones térmicas de los electrones de valencia, de modo que solo una interacción de rayos gamma puede dar a un electrón la energía necesaria para cruzar la brecha de banda y alcanzar la banda de conducción.
• Precio . La desventaja es que los detectores de germanio son mucho más caros que las cámaras de ionización o los contadores de centelleo .

Ventajas de los detectores de silicio

• En comparación con los detectores de ionización gaseosa, la densidad de un detector de semiconductores es muy alta, y las partículas cargadas de alta energía pueden emitir su energía en un semiconductor de dimensiones relativamente pequeñas.
• El silicio tiene una alta densidad de 2.329 g / cm ³ y, por lo tanto, la pérdida de energía promedio por unidad de longitud permite construir detectores delgados (por ejemplo, 300 µm) que aún producen señales medibles. Por ejemplo, en caso de mínima partícula ionizante (MIP) la pérdida de energía es de 390 eV / µm. Los detectores de silicio son mecánicamente rígidos y, por lo tanto, no se necesitan estructuras de soporte especiales.
• Los detectores basados ​​en silicio son muy buenos para rastrear partículas cargadas, constituyen una parte sustancial del sistema de detección en el LHC en el CERN.
• Los detectores de silicio se pueden usar en campos magnéticos fuertes.

Desventajas de los detectores de silicio

• Precio . La desventaja es que los detectores de silicio son mucho más caros que las cámaras de nube o las cámaras de cables.
• La degradación . También sufren degradación con el tiempo por la radiación, sin embargo, esto se puede reducir en gran medida gracias al efecto Lázaro.
• Alto FWHM . En la espectroscopía gamma, se prefiere el germanio debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y que aumenta la probabilidad de interacción con los rayos gamma. Además, el germanio tiene una energía promedio menor necesaria para crear un par de electrones, que es 3.6 eV para silicio y 2.9 eV para germanio. Esto también proporciona a este último una mejor resolución en energía.