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Quels sont les avantages et les inconvénients des détecteurs à semi-conducteurs – Définition

Avantages et inconvénients des détecteurs à semi-conducteurs. L’inconvénient est que les détecteurs semi-conducteurs sont beaucoup plus chers que les autres détecteurs et nécessitent un refroidissement sophistiqué pour réduire les courants de fuite (bruit). Dosimétrie des rayonnements
Détecteur HPGe - Germanium
Détecteur HPGe avec cryostat LN2 Source: canberra.com

Un  détecteur à semi-conducteur  est un détecteur de rayonnement qui est basé sur un semi –  conducteur , tel que le  silicium  ou le  germanium  pour mesurer l’effet des particules chargées ou des photons chargés. Les détecteurs à semi-conducteurs  sont largement utilisés dans la  radioprotection , le dosage des matériaux radioactifs et la recherche en physique car ils ont des caractéristiques uniques, peuvent être fabriqués à peu de frais mais avec une bonne efficacité, et peuvent mesurer à la fois l’intensité et l’énergie du rayonnement incident. Ces détecteurs sont utilisés pour mesurer l’énergie du rayonnement et pour l’identification des particules. Parmi les matériaux semi-conducteurs disponibles, le  silicium  est principalement utilisé pour détecteurs de particules chargées  (en particulier pour le suivi des particules chargées) et détecteurs de rayons X mous tandis que le  germanium  est largement utilisé pour  la spectroscopie des rayons gamma . Un semi-conducteur grand, propre et presque parfait est idéal comme compteur de  radioactivité . Cependant, il est difficile de fabriquer de gros cristaux avec une pureté suffisante. Les détecteurs à semi-conducteurs ont donc une faible efficacité, mais ils donnent une mesure très précise de l’énergie. Les détecteurs à semi-conducteurs, en particulier les  détecteurs à base de germanium , sont les plus couramment utilisés lorsqu’une très bonne résolution énergétique est requise. Afin d’atteindre une efficacité maximale, les détecteurs doivent fonctionner aux  très basses températures de l’azote liquide (-196 ° C). Par conséquent, l’inconvénient est que les détecteurs à semi-conducteur sont beaucoup plus chers que les autres détecteurs et nécessitent un refroidissement sophistiqué pour réduire les courants de fuite (bruit).

Avantages et inconvénients des détecteurs à semi-conducteurs

Avantages des détecteurs HPGe

  • Numéro atomique supérieur. Le germanium est préféré car son numéro atomique est beaucoup plus élevé que le silicium et augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma.
  • Le germanium a une énergie moyenne inférieure nécessaire pour créer une paire électron-trou, qui est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium.
  • Très bonne résolution énergétique . Le FWHM pour les détecteurs au germanium est fonction de l’énergie. Pour un photon de 1,3 MeV, la FWHM est de 2,1 keV, ce qui est très faible.
  • Grands cristaux . Alors que les détecteurs à base de silicium ne peuvent pas être plus épais que quelques millimètres, le germanium peut avoir une épaisseur sensible et épuisée de quelques centimètres, et peut donc être utilisé comme détecteur d’absorption totale pour les rayons gamma jusqu’à quelques MeV.

Inconvénients des détecteurs HPGe

  • Refroidissement . L’inconvénient majeur des détecteurs HPGe est qu’ils doivent être refroidis à des températures d’azote liquide. Le germanium ayant une bande interdite relativement faible , ces détecteurs doivent être refroidis afin de réduire la génération thermique des porteurs de charge à un niveau acceptable. Sinon, le bruit induit par le courant de fuite détruit la résolution énergétique du détecteur. Rappelons que la bande interdite (une distance entre la valence et la bande de conduction ) est très faible pour le germanium (Egap = 0,67 eV). Le refroidissement à la température de l’azote liquide (-195,8 ° C; -320 ° F) réduit les excitations thermiques des électrons de valence de sorte que seule une interaction des rayons gamma peut donner à un électron l’énergie nécessaire pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction.
  • Prix . L’inconvénient est que les détecteurs au germanium sont beaucoup plus chers que les chambres d’ionisation ou les compteurs à scintillation .

Avantages des détecteurs de silicium

  • Par rapport aux détecteurs à ionisation gazeuse, la densité d’un détecteur à semi-conducteur est très élevée et les particules chargées de haute énergie peuvent dégager leur énergie dans un semi-conducteur de dimensions relativement petites.
  • Le silicium a une densité élevée de 2,329 g / cm 3 et, par conséquent, la perte d’énergie moyenne par unité de longueur permet de construire des détecteurs minces (par exemple 300 µm) qui produisent toujours des signaux mesurables. Par exemple, en cas de particules ionisantes minimales (MIP), la perte d’énergie est de 390 eV / µm. Les détecteurs au silicium sont mécaniquement rigides et donc aucune structure de support spéciale n’est nécessaire.
  • Les détecteurs à base de silicium sont très bons pour suivre les particules chargées, ils constituent une partie substantielle du système de détection du LHC au CERN.
  • Les détecteurs au silicium peuvent être utilisés dans des champs magnétiques puissants.

Inconvénients des détecteurs au silicium

  • Prix . L’inconvénient est que les détecteurs au silicium sont beaucoup plus chers que les chambres à brouillard ou les chambres à fil.
  • Dégradation . Ils subissent également une dégradation au fil du temps des rayonnements, mais celle-ci peut être considérablement réduite grâce à l’effet Lazare.
  • FWHM élevé . En spectroscopie gamma, le germanium est préféré en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et qui augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma. De plus, le germanium a une énergie moyenne inférieure nécessaire pour créer une paire électron-trou, qui est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium. Cela donne également à ce dernier une meilleure résolution en énergie.

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