Nick Connor

Halbleiterdetektoren auf Siliziumbasis werden 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 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 auch 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 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 erheblich verringert werden.

Anwendung von Siliziumdetektoren

Da Detektoren auf Siliziumbasis sehr gut zur Verfolgung geladener Teilchen geeignet sind, sind sie ein wesentlicher Bestandteil des Detektionssystems am LHC des CERN. Die meisten Siliziumpartikeldetektoren dotieren im Prinzip schmale (normalerweise etwa 100 Mikrometer breite) Siliziumstreifen , 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. Die Anordnung von Tausenden dieser Detektoren um einen Kollisionspunkt in einem Teilchenbeschleuniger kann ein genaues Bild davon liefern, welchen Weg Teilchen nehmen. Das Inner Tracking System (ITS) eines Large Ion Collider Experiments (ALICE) enthält beispielsweise drei Schichten von Detektoren auf Siliziumbasis:

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

Silizium-Streifendetektoren

Detektoren auf Siliziumbasis sind sehr gut zur Verfolgung geladener Teilchen geeignet. 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)) zur Bestimmung von Flugbahnen geladener Teilchen mit Positionsgenauigkeiten in der Größenordnung von mehreren μm in Querrichtung. Diese Implantate bilden auf einem niedrig dotierten, vollständig verarmten Siliziumwafer 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 hat und dann zerfiel.

Siliziumstreifendetektoren sind ein wesentlicher Bestandteil des Detektionssystems am LHC im CERN. Die meisten Siliziumpartikeldetektoren dotieren im Prinzip schmale (normalerweise etwa 100 Mikrometer breite) Siliziumstreifen, 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. Die Anordnung 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

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.

Halbleiterdetektoren auf Siliziumbasis werden 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 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 auch 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 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 erheblich verringert werden.

Funktionsprinzip von Siliziumdetektoren  

Die Funktionsweise von Halbleiterdetektoren ist in folgenden Punkten zusammengefasst:

• Ionisierende Strahlung tritt in das empfindliche Volumen des Detektors ein und interagiert mit dem Halbleitermaterial.
• Durch den Detektor gelangende Teilchen ionisieren die Atome des Halbleiters und erzeugen die Elektronen-Loch-Paare . Die Anzahl der Elektronen-Loch-Paare ist proportional zur Energie der Strahlung zum Halbleiter. Infolgedessen wird eine Anzahl von Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband übertragen, und es wird eine gleiche Anzahl von Löchern 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 gibt Auskunft 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 Elektronen-Loch-Paaren erforderliche Energie ist sehr gering im Vergleich zu der Energie, die zur Erzeugung von Ionenpaaren in einem Gasionisationsdetektor erforderlich ist . Bei Halbleiterdetektoren ist die statistische Variation der Impulshöhe kleiner und die Energieauflösung höher. Da sich die Elektronen schnell fortbewegen, ist auch die Zeitauflösung sehr gut. Im Vergleich zu Gasionisationsdetektoren ist die Dichte eines Halbleiterdetektors sehr hoch und geladene Teilchen mit hoher Energie können ihre Energie in einem Halbleiter mit relativ kleinen Abmessungen abgeben.

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 zwischen Valenzband und Leitungsbandwo 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. Die Eigenschaften von Halbleitern werden durch die Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband bestimmt.

Intrinsic und Extrinsic Semiconductor

Intrinsic Semiconductor

Ein intrinsischer Halbleiter ist ein vollständig reiner Halbleiter, ohne dass signifikante Dotierungsspezies vorhanden sind. Intrinsische Halbleiter werden daher auch als reine Halbleiter oder i-Halbleiter bezeichnet.

Die Anzahl der Ladungsträger bei einer bestimmten Temperatur wird daher durch die Eigenschaften des Materials selbst anstelle der Menge an Verunreinigungen bestimmt. Es ist zu beachten, dass eine 1 cm ³ -Probe von reinem Germanium bei 20 ° C etwa 4,2 × 10 ²² Atome enthält, aber auch etwa 2,5 × 10 ¹³ freie Elektronen und 2,5 × 10 ¹³ Löcher. Diese Ladungsträger werden durch thermische Anregung erzeugt. In intrinsischen Halbleitern sind die Anzahl der angeregten Elektronen und die Anzahl der Löcher gleich: n = p . Elektronen und Löcher entstehen durch Anregung von Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband. Ein Elektronenloch(oft einfach als Loch bezeichnet) ist das Fehlen eines Elektrons an einer Stelle, an der man in einem Atom oder Atomgitter existieren könnte. Diese Gleichheit kann sogar nach dem Dotieren des Halbleiters der Fall sein, allerdings nur, wenn er mit Donatoren und Akzeptoren gleichermaßen dotiert ist. In diesem Fall gilt immer noch n = p, und der Halbleiter bleibt intrinsisch, obwohl er dotiert ist.

Halbleiter haben eine Energielücke von weniger als 4 eV (etwa 1 eV). Bandlücken sind natürlich für verschiedene Materialien unterschiedlich. Beispielsweise ist Diamant ein Halbleiter mit breiter Bandlücke (Egap = 5,47 eV) mit hohem Potenzial als Material für elektronische Bauelemente in vielen Bauelementen. Auf der anderen Seite hat Germanium eine kleine Bandlückenenergie (E _Gap = 0,67 eV), die es erfordert, den Detektor bei kryogenen Temperaturen zu betreiben. In der Festkörperphysik ist diese Energielücke oder Bandlücke ein Energiebereich zwischen Valenzband und Leitungsband, in dem 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.

Extrinsische Halbleiter

Ein externer Halbleiter oder dotierter Halbleiter ist ein Halbleiter, der absichtlich dotiert wurde, um seine elektrischen, optischen und strukturellen Eigenschaften zu modulieren. Bei Halbleiterdetektoren für ionisierende Strahlung ist Dotieren das absichtliche Einbringen von Verunreinigungen in einen intrinsischen Halbleiter zum Zweck der Änderung ihrer elektrischen Eigenschaften. Intrinsische Halbleiter werden daher auch als reine Halbleiter oder i-Halbleiter bezeichnet.

Die Zugabe eines kleinen Prozentsatzes von Fremdatomen in das regelmäßige Kristallgitter von Silizium oder Germanium führt zu dramatischen Änderungen ihrer elektrischen Eigenschaften, da diese in die Kristallstruktur des Halbleiters eingebauten Fremdatome freie Ladungsträger (Elektronen oder Elektronenlöcher) in der Zelle liefern Halbleiter. In einem externen Halbleiter liefern diese Fremddotierungsatome im Kristallgitter hauptsächlich die Ladungsträger, die elektrischen Strom durch den Kristall transportieren. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Dotierungsatomen, die zu zwei Arten von externen Halbleitern führen. Diese Dotierstoffe, die die gewünschten kontrollierten Änderungen erzeugen, werden entweder als Elektronenakzeptoren oder als Donoren klassifiziert und die entsprechenden dotierten Halbleiter sind bekannt als:

• Halbleiter vom n-Typ .
• p-Halbleiter .

Extrinsische Halbleiter sind Bestandteile vieler gängiger elektrischer Geräte sowie vieler Detektoren ionisierender Strahlung. Zu diesem Zweck besteht eine Halbleiterdiode (Bauelemente, die nur Strom in eine Richtung zulassen) normalerweise aus Halbleitern vom p-Typ und n-Typ, die in Verbindung miteinander angeordnet sind.

Siliciumdetektoren werden 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 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. Siliciumdetektoren weisen auch bei Raumtemperatur ein ausreichend geringes Rauschen auf. Dies wird durch die große Bandlücke verursachtaus Silicium (Egap = 1,12 eV), wodurch wir den Detektor bei Raumtemperatur betreiben können, aber 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 erheblich verringert werden.

Funktionsprinzip von Siliciumdetektoren

Die Funktionsweise von Halbleiterdetektoren ist in folgenden Punkten zusammengefasst:

• Ionisierende Strahlung tritt in das empfindliche Volumen des Detektors ein und interagiert mit dem Halbleitermaterial.
• Durch den Detektor gelangende Teilchen ionisieren die Atome des Halbleiters und erzeugen die Elektronen-Loch-Paare . Die Anzahl der Elektronen-Loch-Paare ist proportional zur Energie der Strahlung zum Halbleiter. Infolgedessen wird eine Anzahl von Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband übertragen, und es wird eine gleiche Anzahl von Löchern 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 gibt Auskunft 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 Elektronen-Loch-Paaren erforderliche Energie ist sehr gering im Vergleich zu der Energie, die zur Erzeugung von Ionenpaaren in einem Gasionisationsdetektor erforderlich ist . Bei Halbleiterdetektoren ist die statistische Variation der Impulshöhe kleiner und die Energieauflösung höher. Da sich die Elektronen schnell fortbewegen, ist auch die Zeitauflösung sehr gut. Im Vergleich zu Gasionisationsdetektoren ist die Dichte eines Halbleiterdetektors sehr hoch und geladene Teilchen mit hoher Energie können ihre Energie in einem Halbleiter mit relativ kleinen Abmessungen abgeben.

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.

Funktionsprinzip von Halbleiterdetektoren  

Die Funktionsweise von Halbleiterdetektoren ist in folgenden Punkten zusammengefasst:

• Ionisierende Strahlung tritt in das empfindliche Volumen des Detektors ein und interagiert mit dem Halbleitermaterial.
• Durch den Detektor gelangende Teilchen ionisieren die Atome des Halbleiters und erzeugen die Elektronen-Loch-Paare . Die Anzahl der Elektronen-Loch-Paare ist proportional zur Energie der Strahlung zum Halbleiter. Infolgedessen wird eine Anzahl von Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband übertragen, und es wird eine gleiche Anzahl von Löchern 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 gibt Auskunft 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 Elektronen-Loch-Paaren erforderliche Energie ist sehr gering im Vergleich zu der Energie, die zur Erzeugung von Ionenpaaren in einem Gasionisationsdetektor erforderlich ist . Bei Halbleiterdetektoren ist die statistische Variation der Impulshöhe kleiner und die Energieauflösung höher. Da sich die Elektronen schnell fortbewegen, ist auch die Zeitauflösung sehr gut. Im Vergleich zu Gasionisationsdetektoren ist die Dichte eines Halbleiterdetektors sehr hoch und geladene Teilchen mit hoher Energie können ihre Energie in einem Halbleiter mit relativ kleinen Abmessungen abgeben.

Ein  dotierter Halbleiter ist ein Halbleiter, der absichtlich dotiert wurde, um seine elektrischen, optischen und strukturellen Eigenschaften zu modulieren. Bei Halbleiterdetektoren für ionisierende Strahlung ist Dotieren das absichtliche Einbringen von Verunreinigungen in einen intrinsischen Halbleiter zum Zweck der Änderung ihrer elektrischen Eigenschaften. Intrinsische Halbleiter werden daher auch als reine Halbleiter oder i-Halbleiter bezeichnet.

Die Zugabe eines kleinen Prozentsatzes von Fremdatomen in das regelmäßige Kristallgitter von Silizium oder Germanium führt zu dramatischen Änderungen ihrer elektrischen Eigenschaften, da diese in die Kristallstruktur des Halbleiters eingebauten Fremdatome freie Ladungsträger (Elektronen oder Elektronenlöcher) in der Zelle liefern Halbleiter. In einem externen Halbleiter liefern diese Fremddotierungsatome im Kristallgitter hauptsächlich die Ladungsträger, die elektrischen Strom durch den Kristall transportieren. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Dotierungsatomen, die zu zwei Arten von externen Halbleitern führen. Diese Dotierstoffe , die die gewünschten kontrollierten Änderungen erzeugen, werden entweder als Elektronenakzeptoren oder klassifiziertDonoren und die entsprechenden dotierten Halbleiter sind bekannt als:

• Halbleiter vom n-Typ.
• p-Halbleiter.

Extrinsische Halbleiter sind Bestandteile vieler gängiger elektrischer Geräte sowie vieler Detektoren für ionisierende Strahlung. Zu diesem Zweck besteht eine Halbleiterdiode (Bauelemente, die Strom nur in einer Richtung zulassen) normalerweise aus Halbleitern vom p-Typ und vom n-Typ, die in Verbindung miteinander angeordnet sind.

Elektronendonor – Dotierstoff der Gruppe V

Ein mit Elektronendonoratomen dotierter fremder Halbleiter wird als n-Halbleiter bezeichnet, weil die Mehrzahl der Ladungsträger im Kristall negative Elektronen sind. Da Silizium ein vierwertiges Element ist, enthält die normale Kristallstruktur 4 kovalente Bindungen von vier Valenzelektronen. In Silizium sind die häufigsten Dotierstoffe Elemente der Gruppe III und der Gruppe V. Gruppe-V-Elemente (fünfwertig) haben fünf Valenzelektronen, wodurch sie als Donor fungieren können. Das heißt, der Zusatz dieser fünfwertigen Verunreinigungen wie Arsen, Antimon oder Phosphor trägt zu freien Elektronen bei und erhöht die Leitfähigkeit des intrinsischen Halbleiters erheblich. Beispielsweise erzeugt ein mit Bor dotierter Siliziumkristall (Gruppe III) einen Halbleiter vom p-Typ, während ein mit Phosphor dotierter Kristall (Gruppe V) einen Halbleiter vom n-Typ ergibt.

Die Leitungselektronen werden vollständig von der Anzahl der Donorelektronen dominiert . Deshalb:

Die Gesamtzahl der Leitungselektronen ist in etwa gleich der Zahl der Spenderstellen, n≈N _D .

Die Ladungsneutralität des Halbleitermaterials bleibt erhalten, da angeregte Donorstellen die Leitungselektronen ausgleichen. Das Nettoergebnis ist, dass die Anzahl der Leitungselektronen erhöht wird, während die Anzahl der Löcher verringert wird. Das Ungleichgewicht der Ladungsträgerkonzentration in den jeweiligen Bändern wird durch die unterschiedliche absolute Anzahl von Elektronen und Löchern ausgedrückt. Elektronen sind Majoritätsträger, während Löcher Minoritätsträger in n-Typ-Material sind.

Elektronenakzeptor – Dotierstoff der Gruppe III

Ein extrinsischen Halbleiter welche wurde mit Elektronenakzeptor dotiert Atomen ist ein sogenannter p-Typ – Halbleiter , weil die Mehrheit der Ladungsträger in dem Kristall sind Elektronenlöcher (positive Ladungsträger). Das reine Halbleitersilizium ist ein vierwertiges Element , die normale Kristallstruktur enthält 4 kovalente Bindungen von vier Valenzelektronen. In Silizium sind die häufigsten Dotierstoffe Elemente der Gruppe III und der Gruppe V. Elemente der Gruppe III (dreiwertig) enthalten alle drei Valenzelektronen, wodurch sie als Akzeptoren fungieren, wenn sie zur Dotierung von Silizium verwendet werden. Wenn ein Akzeptoratom ein vierwertiges Siliziumatom im Kristall ersetzt, entsteht ein leerer Zustand (ein Elektronenloch). Ein Elektronenloch (oft einfach als Loch bezeichnet) ist das Fehlen eines Elektrons an einer Stelle, an der man in einem Atom oder Atomgitter existieren könnte. Es ist eine der beiden Arten von Ladungsträgern, die für die Erzeugung von elektrischem Strom in Halbleitermaterialien verantwortlich sind. Diese positiv geladenen Löcher können sich in Halbleitermaterialien von Atom zu Atom bewegen, wenn Elektronen ihre Position verlassen. Der Zusatz von dreiwertigen Verunreinigungen wie Bor , Aluminium oder Galliuman einem intrinsischen Halbleiter entstehen diese positiven Elektronenlöcher in der Struktur. Beispielsweise erzeugt ein mit Bor dotierter Siliziumkristall (Gruppe III) einen Halbleiter vom p-Typ, während ein mit Phosphor dotierter Kristall (Gruppe V) einen Halbleiter vom n-Typ ergibt.

Die Anzahl der Elektronenlöcher wird vollständig von der Anzahl der Akzeptorstellen dominiert. Deshalb:

Die Gesamtzahl von Löchern ist ungefähr gleich der Anzahl der Spenderstellen, p ≈ N _A .

Die Ladungsneutralität dieses Halbleitermaterials bleibt ebenfalls erhalten. Das Nettoergebnis ist, dass die Anzahl der Elektronenlöcher erhöht wird, während die Anzahl der Leitungselektronen verringert wird. Das Ungleichgewicht der Trägerkonzentration in den jeweiligen Bändern wird durch die unterschiedliche absolute Anzahl von Elektronen und Löchern ausgedrückt. Elektronenlöcher sind Majoritätsträger , während Elektronen Minoritätsträger in p-Material sind.

Ein externer Halbleiter oder dotierter Halbleiter ist ein Halbleiter, der absichtlich dotiert wurde, um seine elektrischen, optischen und strukturellen Eigenschaften zu modulieren. Bei Halbleiterdetektoren für ionisierende Strahlung ist Dotieren das absichtliche Einbringen von Verunreinigungen in einen intrinsischen Halbleiter zum Zweck der Änderung ihrer elektrischen Eigenschaften. Intrinsische Halbleiter werden daher auch als reine Halbleiter oder i-Halbleiter bezeichnet.

Die Zugabe eines kleinen Prozentsatzes von Fremdatomen in das regelmäßige Kristallgitter von Silizium oder Germanium führt zu dramatischen Änderungen ihrer elektrischen Eigenschaften, da diese in die Kristallstruktur des Halbleiters eingebauten Fremdatome freie Ladungsträger (Elektronen oder Elektronenlöcher) in der Zelle liefern Halbleiter. In einem externen Halbleiter liefern diese Fremddotierungsatome im Kristallgitter hauptsächlich die Ladungsträger, die elektrischen Strom durch den Kristall transportieren. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Dotierungsatomen, die zu zwei Arten von externen Halbleitern führen. Diese Dotierstoffe, die die gewünschten kontrollierten Änderungen erzeugen, werden entweder als Elektronenakzeptoren oder als Donoren klassifiziert und die entsprechenden dotierten Halbleiter sind bekannt als:

• Halbleiter vom n-Typ.
• p-Halbleiter.

Entartete Halbleiter

Es ist zu beachten, dass eine erhöhte Dotierung aufgrund der höheren Konzentration an Ladungsträgern zu einer erhöhten Leitfähigkeit führt. Hochdotierte Halbleiter verhalten sich metallisch und diese Halbleiter sind als entartete (sehr hochdotierte) Halbleiter bekannt . Entartete Halbleiter werden häufig in integrierten Schaltkreisen als Ersatz für Metall verwendet. Häufig werden hochgestellte Plus- und Minuszeichen verwendet, um die relative Dotierungskonzentration in Halbleitern anzugeben. Beispielsweise bezeichnet n ⁺ einen Halbleiter vom n-Typ mit einer hohen Dotierungskonzentration. In ähnlicher Weise würde p ^& supmin; ein sehr schwach dotiertes Material vom p-Typ anzeigen.

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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.com oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.

Ein  dotierter Halbleiter ist ein Halbleiter, der absichtlich dotiert wurde, um seine elektrischen, optischen und strukturellen Eigenschaften zu modulieren. Bei Halbleiterdetektoren für ionisierende Strahlung ist Dotieren das absichtliche Einbringen von Verunreinigungen in einen intrinsischen Halbleiter zum Zweck der Änderung ihrer elektrischen Eigenschaften. Intrinsische Halbleiter werden daher auch als reine Halbleiter oder i-Halbleiter bezeichnet.

Die Zugabe eines kleinen Prozentsatzes von Fremdatomen in das regelmäßige Kristallgitter von Silizium oder Germanium führt zu dramatischen Änderungen ihrer elektrischen Eigenschaften, da diese in die Kristallstruktur des Halbleiters eingebauten Fremdatome freie Ladungsträger (Elektronen oder Elektronenlöcher) in der Zelle liefern Halbleiter. In einem externen Halbleiter liefern diese Fremddotierungsatome im Kristallgitter hauptsächlich die Ladungsträger, die elektrischen Strom durch den Kristall transportieren. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Dotierungsatomen, die zu zwei Arten von externen Halbleitern führen. Diese Dotierstoffe, die die gewünschten kontrollierten Änderungen erzeugen, werden entweder als Elektronenakzeptoren oder als Donoren klassifiziert und die entsprechenden dotierten Halbleiter sind bekannt als:

• Halbleiter vom n-Typ.
• p-Halbleiter.

Extrinsische Halbleiter sind Bestandteile vieler gängiger elektrischer Geräte sowie vieler Detektoren für ionisierende Strahlung. Zu diesem Zweck besteht eine Halbleiterdiode (Bauelemente, die Strom nur in einer Richtung zulassen) normalerweise aus Halbleitern vom p-Typ und vom n-Typ, die in Verbindung miteinander angeordnet sind.

Donordotierte Halbleiter

Ein mit Elektronendonoratomen dotierter fremder Halbleiter wird als n-Halbleiter bezeichnet, weil die Mehrzahl der Ladungsträger im Kristall negative Elektronen sind. Da Silizium ein vierwertiges Element ist, enthält die normale Kristallstruktur 4 kovalente Bindungen von vier Valenzelektronen. In Silizium sind die häufigsten Dotierstoffe Elemente der Gruppe III und der Gruppe V. Gruppe-V-Elemente (fünfwertig) haben fünf Valenzelektronen, wodurch sie als Donor fungieren können. Das heißt, der Zusatz dieser fünfwertigen Verunreinigungen wie Arsen, Antimon oder Phosphor trägt zu freien Elektronen bei und erhöht die Leitfähigkeit des intrinsischen Halbleiters erheblich. Beispielsweise erzeugt ein mit Bor dotierter Siliziumkristall (Gruppe III) einen Halbleiter vom p-Typ, während ein mit Phosphor dotierter Kristall (Gruppe V) einen Halbleiter vom n-Typ ergibt.

Die Leitungselektronen werden vollständig von der Anzahl der Donorelektronen dominiert . Deshalb:

Die Gesamtzahl der Leitungselektronen ist in etwa gleich der Zahl der Spenderstellen, n≈N _D .

Die Ladungsneutralität des Halbleitermaterials bleibt erhalten, da angeregte Donorstellen die Leitungselektronen ausgleichen. Das Nettoergebnis ist, dass die Anzahl der Leitungselektronen erhöht wird, während die Anzahl der Löcher verringert wird. Das Ungleichgewicht der Ladungsträgerkonzentration in den jeweiligen Bändern wird durch die unterschiedliche absolute Anzahl von Elektronen und Löchern ausgedrückt. Elektronen sind Majoritätsträger, während Löcher Minoritätsträger in n-Typ-Material sind.

Akzeptordotierte Halbleiter

Ein extrinsischen Halbleiter welche wurde mit Elektronenakzeptor dotiert Atomen ist ein sogenannter p-Typ – Halbleiter , weil die Mehrheit der Ladungsträger in dem Kristall sind Elektronenlöcher (positive Ladungsträger). Das reine Halbleitersilizium ist ein vierwertiges Element , die normale Kristallstruktur enthält 4 kovalente Bindungen von vier Valenzelektronen. In Silizium sind die häufigsten Dotierstoffe Elemente der Gruppe III und der Gruppe V. Elemente der Gruppe III (dreiwertig) enthalten alle drei Valenzelektronen, wodurch sie als Akzeptoren fungieren, wenn sie zur Dotierung von Silizium verwendet werden. Wenn ein Akzeptoratom ein vierwertiges Siliziumatom im Kristall ersetzt, entsteht ein leerer Zustand (ein Elektronenloch). Ein Elektronenloch (oft einfach als Loch bezeichnet) ist das Fehlen eines Elektrons an einer Stelle, an der man in einem Atom oder Atomgitter existieren könnte. Es ist eine der beiden Arten von Ladungsträgern, die für die Erzeugung von elektrischem Strom in Halbleitermaterialien verantwortlich sind. Diese positiv geladenen Löcher können sich in Halbleitermaterialien von Atom zu Atom bewegen, wenn Elektronen ihre Position verlassen. Der Zusatz von dreiwertigen Verunreinigungen wie Bor , Aluminium oder Galliuman einem intrinsischen Halbleiter entstehen diese positiven Elektronenlöcher in der Struktur. Beispielsweise erzeugt ein mit Bor dotierter Siliziumkristall (Gruppe III) einen Halbleiter vom p-Typ, während ein mit Phosphor dotierter Kristall (Gruppe V) einen Halbleiter vom n-Typ ergibt.

Die Anzahl der Elektronenlöcher wird vollständig von der Anzahl der Akzeptorstellen dominiert. Deshalb:

Die Gesamtzahl von Löchern ist ungefähr gleich der Anzahl der Spenderstellen, p ≈ N _A .

Die Ladungsneutralität dieses Halbleitermaterials bleibt ebenfalls erhalten. Das Nettoergebnis ist, dass die Anzahl der Elektronenlöcher erhöht wird, während die Anzahl der Leitungselektronen verringert wird. Das Ungleichgewicht der Trägerkonzentration in den jeweiligen Bändern wird durch die unterschiedliche absolute Anzahl von Elektronen und Löchern ausgedrückt. Elektronenlöcher sind Majoritätsträger , während Elektronen Minoritätsträger in p-Material sind.

Cherenkov Detektoren

Ein Cherenkov-Detektor ist ein Partikeldetektor, der auf der Detektion von Cherenkov-Strahlung (sichtbares Licht oder UV-Photonen) basiert . Im Gegensatz zu einem Szintillationszähler erfolgt die Lichterzeugung augenblicklich. Typische Szintillatordetektoren haben eine Abklingzeit, die in Mikrosekunden gemessen wird, während die Cherenkov-Strahlung nahezu augenblicklich ist und mit schnellen Pulsverarbeitungsgeräten in Pikosekunden gemessen werden kann. Cherenkov-Zähler werden hauptsächlich zur Partikelidentifikation , dh zur Bestimmung von Partikelmassen eingesetzt. Cherenkov-Zähler enthalten zwei Hauptelemente:

• ein Strahler, durch den das geladene Teilchen tritt,
• ein Fotodetektor (z. B. eine Fotovervielfacherröhre – PMT ).

Die Cherenkov-Strahlung, die im Strahler erzeugt wird, ist elektromagnetische Strahlung, die abgegeben wird, wenn sich ein geladenes Teilchen (wie ein Elektron) schneller als die Phasengeschwindigkeit von Licht in diesem Medium durch ein dielektrisches Medium bewegt . Teilchen, die die Phasengeschwindigkeit des Lichts überschreiten, bewirken eine Polarisation entlang der Bewegungsachse, wodurch ein Dipolfeld erzeugt wird. Wenn dieses Feld zusammenbricht, wird ein elektromagnetischer Impuls (Cherenkov-Strahlung) in Vorwärtsrichtung ausgesendet.

Cherenkov-Strahlung wird üblicherweise in dielektrischen Materialien durch Compton-Elektronen oder durch Elektronen und Positronen zur Paarbildung erzeugt. Die Intensität des durch dieses Verfahren erzeugten Lichts ist viel geringer als die der Lumineszenz (die Grundlage für den Betrieb des Szintillationsdetektors), was empfindlichere optische Photonendetektionsgeräte wie Photovervielfacherröhren für schwaches Licht (PMT) erfordert . Cherenkov-Zähler können entweder als Bildgebungs- oder Schwellentypen klassifiziert werden , abhängig davon, ob sie Cherenkov-Winkel (θ) -Informationen verwenden oder nicht. Im einfachen Fall eines SchwellendetektorsDie massenabhängige Schwellenenergie ermöglicht die Unterscheidung zwischen einem leichteren Teilchen (das strahlt) und einem schwereren Teilchen (das nicht strahlt) mit der gleichen Energie oder dem gleichen Impuls. Bildzähler können verwendet werden, um Partikel zu verfolgen und sie zu identifizieren. Obwohl Geräte, die Cherenkov-Strahlung verwenden, häufig als PID-Detektoren (Particle Identification) angesehen werden, werden sie in der Praxis in einem viel breiteren Anwendungsbereich eingesetzt. einschließlich:

• schnelle Partikelzähler
• hadronische Partikelidentifikation
• Tracking-Detektoren, die eine vollständige Ereignisrekonstruktion durchführen.

Cherenkov-Detektoren können entweder als Bildgebungs- oder Schwellentyp klassifiziert werden , abhängig davon, ob sie Cherenkov-Winkel (θ) -Informationen verwenden oder nicht. Im einfachen Fall eines Schwellendetektors ermöglicht die massenabhängige Schwellenenergie die Unterscheidung zwischen einem leichteren Teilchen (das strahlt) und einem schwereren Teilchen (das nicht strahlt) mit der gleichen Energie oder dem gleichen Impuls. Bildzähler können verwendet werden, um Partikel zu verfolgen und sie zu identifizieren. Obwohl Geräte, die Cherenkov-Strahlung verwenden, häufig als PID-Detektoren (Particle Identification) angesehen werden, werden sie in der Praxis in einem viel breiteren Anwendungsbereich eingesetzt. einschließlich:

• schnelle Partikelzähler
• hadronische Partikelidentifikation
• Tracking-Detektoren, die eine vollständige Ereignisrekonstruktion durchführen.

Typen von Cherenkov-Detektoren – Beispiele

• REICH. Praktische mehrspurige Ring-Imaging-Cherenkov-Detektoren (allgemein als RICH-Zähler bezeichnet) sind eine neuere Entwicklung. In einem RICH-Detektor wird ein Cherenkov-Lichtkegel erzeugt, wenn ein schnell geladenes Teilchen ein geeignetes Medium durchquert, das häufig als Strahler bezeichnet wird. Dieser Lichtkegel wird auf einem positionsempfindlichen planaren Photonendetektor detektiert, der die Rekonstruktion eines Rings oder einer Scheibe ermöglicht, dessen Radius ein Maß für den Cherenkov-Emissionswinkel ist. Zum Beispiel verwendet das LHCb-Experiment am Large Hadron Collider zwei RICH-Detektoren zur Unterscheidung zwischen Pionen und Kaonen.
• Super-Kamiokande. Super-Kamiokande ist ein unterirdisches Neutrino-Observatorium, das mithilfe großer Cherenkov-Wasserzähler energiereiche Neutrinos aufspürt, um nach Protonenzerfall zu suchen, solare und atmosphärische Neutrinos zu untersuchen und in der Milchstraße nach Supernovae Ausschau zu halten. Es besteht aus einem zylindrischen Edelstahltank mit einer Höhe von 40 m und einem Durchmesser von 50.000 Tonnen hochreinem Wasser. Auf einem inneren Aufbau sind etwa 13.000 Photovervielfacherröhren montiert, die das Licht der Cherenkov-Strahlung erfassen.