Strahlendosimetrie

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.

Extrinsische Halbleiter – Dotierte 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 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.

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 Semiconductor – Reiner Halbleiter

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.

Intrinsische Halbleiter sind jedoch nicht sehr nützlich, da sie weder sehr gute Isolatoren noch sehr gute Leiter sind. Ein wichtiges Merkmal von Halbleitern ist jedoch, dass ihre Leitfähigkeit durch Dotieren mit Verunreinigungen und Ansteuern mit elektrischen Feldern erhöht und gesteuert werden kann . Man erinnere sich, 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, die konstant aus thermischer Energie erzeugt werden. Die Gesamtabsorption eines 1-MeV-Photons erzeugt etwa 3 × 10 ⁵ Elektronenlochpaare . Dieser Wert ist im Vergleich zur Gesamtzahl der freien Ladungsträger in 1 cm ³ geringintrinsischer Halbleiter. Wie zu sehen ist, wäre das Signal-Rausch-Verhältnis (S / N) minimal. Die Zugabe von 0,001% Arsen (eine Verunreinigung) spendet zusätzliche 10 ¹⁷ freie Elektronen im gleichen Volumen und die elektrische Leitfähigkeit wird um den Faktor 10.000 erhöht. Bei dotiertem Material wäre das Signal-Rausch-Verhältnis (S / N) noch kleiner. Da Germanium eine relativ geringe Bandlücke aufweist, müssen diese Detektoren gekühlt werden, um die thermische Erzeugung von Ladungsträgern auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren. Andernfalls zerstört durch leckstrominduziertes Rauschen die Energieauflösung des Detektors. Durch Dotierung und Ansteuerung wird entweder das Leitungs- oder das Valenzband viel näher an das Fermi-Niveau herangeführt und die Anzahl der teilweise gefüllten Zustände stark erhöht.

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.

CdTe und CdZnTe als Halbleiter

Cadmiumtellurid (CdTe) und Cadmiumzinktellurid (CdZnTe) gelten als vielversprechende Halbleitermaterialien für die Detektion von harten Röntgen- und Gammastrahlen. Aufgrund der hohen Atomzahl und der hohen Dichte dieser Materialien können sie Röntgen- und Gammastrahlen mit Energien von mehr als 20 keV effektiv abschwächen, die herkömmliche Sensoren auf Siliziumbasis nicht erfassen können. Dies erhöht ihre Quantenausbeute im Vergleich zu Siliziumbasis signifikant. Die große Bandlückenenergie (Egap = 1,44 eV) ermöglicht es uns, den Detektor bei Raumtemperatur zu betreiben. Andererseits führt ein beträchtlicher Ladungsverlust in diesen Detektoren zu einer verringerten Energieauflösung.

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.

Diamant als Halbleiter

Diamant ist eine feste Form des Elements Kohlenstoff, dessen Atome in einer als kubischer Diamant bezeichneten Kristallstruktur angeordnet sind. Diamanten sind auch sehr gute elektrische Isolatoren, was seltsamerweise sowohl nützlich als auch problematisch für elektrische Geräte ist. Diamant ist ein Halbleiter mit breiter Bandlücke (Egap = 5.47 eV) mit hohem Potenzial als Material für elektronische Bauelemente in vielen Bauelementen. Diamantdetektoren haben viele Ähnlichkeiten mit Siliziumdetektoren, es wird jedoch erwartet, dass sie erhebliche Vorteile bieten, insbesondere eine hohe Strahlungshärte und sehr niedrige Driftströme.

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.

Germanium als Halbleiter

Germanium ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 32 , das heißt , es gibt 32 Protonen und 32 Elektronen in der Atomstruktur. Das chemische Symbol für Germanium ist Ge . Germanium ist ein glänzendes, hartes, grauweißes Metalloid in der Kohlenstoffgruppe, das chemisch den Gruppennachbarn Zinn und Silizium ähnlich ist. Reines Germanium ist ein Halbleiter mit einem ähnlichen Erscheinungsbild wie elementares Silizium. Germanium wird häufig für die Gammastrahlenspektroskopie verwendet . In der Gammaspektroskopie wird Germanium bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung mit Gammastrahlen erhöht. Germanium wird für die Strahlungsdetektion mehr verwendet als Silizium, da die zur Erzeugung einesDas Elektron-Loch-Paar beträgt 3,6 eV für Silizium und 2,9 eV für Germanium, wodurch letztere eine bessere Energieauflösung erhalten. Andererseits hat Germanium eine kleine Bandlückenenergie (E _Gap = 0,67 eV), die es erfordert, den Detektor bei kryogenen Temperaturen zu betreiben.

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 Wechselwirkung mit Gammastrahlen erhöht. Darüber hinaus hat Germanium eine niedrigere durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Elektronen-Loch-Paares erforderlich ist: 3,6 eV für Silizium und 2,9 eV für Germanium. Dies bietet letztere 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 ein paar Millimeter sein können, kann Germanium eine abgereicherte, empfindliche Dicke von Zentimetern aufweisen und kann daher als Totalabsorptionsdetektor für Gammastrahlen bis zu wenigen MeV verwendet werden.

Andererseits müssen die Detektoren, um eine maximale Effizienz zu erreichen, 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 allgemein verfügbare Auflösung erzeugen, werden sie zur Messung von Strahlung in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich Personal- und Umgebungsüberwachung auf radioaktive Kontamination, medizinische Anwendungen, radiometrische Tests, nukleare Sicherheit und Sicherheit von Kernkraftwerken.

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.

Silizium als Halbleiter

Silizium ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 14 , das heißt , es gibt 14 Protonen und 14 Elektronen in der Atomstruktur. Das chemische Symbol für Silizium ist Si . Silizium ist ein harter und spröder kristalliner Feststoff mit einem blaugrauen Metallglanz, es ist ein vierwertiges Metalloid und ein Halbleiter. Silizium wird hauptsächlich für Detektoren für geladene Teilchen (insbesondere zum Verfolgen geladener Teilchen) und für weiche Röntgendetektoren verwendet. Die große Bandlückenenergie (Egap = 1,12 eV) ermöglicht es uns, den Detektor bei Raumtemperatur zu betreiben, jedoch wird eine Kühlung bevorzugt, um das Rauschen zu reduzieren. Siliziumbasierte Detektoren sind in der Hochenergiephysik von großer Bedeutung. Da Silizium-basierte Detektoren sehr gut für die Verfolgung geladener Teilchen sindSie sind ein wesentlicher Bestandteil des Nachweissystems am LHC im CERN.

Halbleiterdetektoren auf Siliziumbasis

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.

Siehe auch: Germaniumdetektoren, MIRION Technologies. <erhältlich unter: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

Freie Ladungsträger im Halbleiter sind Elektronen und Elektronenlöcher (Elektron-Loch-Paare). 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 existieren könnteoder Atomgitter. Es ist eine der beiden Arten von Ladungsträgern, die für die Erzeugung von elektrischem Strom in Halbleitermaterialien verantwortlich sind. Da in einem normalen Atom- oder Kristallgitter die negative Ladung der Elektronen durch die positive Ladung der Atomkerne ausgeglichen wird, verbleibt beim Fehlen eines Elektrons eine positive Nettoladung am Ort des Lochs. Positiv geladene Löcher können sich in Halbleitermaterialien von Atom zu Atom bewegen, wenn Elektronen ihre Position verlassen. Wenn ein Elektron auf ein Loch trifft, rekombinieren sie und diese freien Ladungsträger verschwinden effektiv. Die Rekombination bedeutet, dass ein Elektron, das vom Valenzband zum Leitungsband angeregt wurde, in den leeren Zustand im Valenzband zurückfällt, der als Löcher bekannt ist.

Die Leitfähigkeit eines Halbleiters kann im Sinne der Bandentheorie von Festkörpern modelliert werden . Das Bandmodell eines Halbleiters legt nahe, dass es bei normalen Temperaturen eine begrenzte Möglichkeit gibt, dass Elektronen das Leitungsband erreichen und zur elektrischen Leitung beitragen können. Im Halbleiter werden durch Anregung von Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband freie Ladungsträger ( Elektron-Loch-Paare ) erzeugt. Diese Anregung hinterließ ein Loch im Valenzband, das sich als positive Ladung verhält, und es entsteht ein Elektron-Loch-Paar. Löcher können manchmal verwirrend sein, da sie nicht wie Elektronen physikalische Teilchen sind, sondern das Fehlen eines Elektrons in einem Atom. Löcher können sich von Atom zu Atom bewegen in halbleitenden Materialien als Elektronen verlassen ihre Positionen.

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 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.

Anregung durch ionisierende Strahlung

Energie für die Anregung kann auf verschiedene Arten gewonnen werden. Elektronen können das Leitungsband erreichen, wenn sie durch ionisierende Strahlung angeregt werden (dh sie müssen eine höhere Energie als Egap erhalten). Im Allgemeinen übertragen stark geladene Teilchen Energie hauptsächlich durch:

• Erregung. Das geladene Teilchen kann Energie auf das Atom übertragen und Elektronen auf ein höheres Energieniveau bringen.
• Ionisation. Eine Ionisierung kann auftreten, wenn die geladenen Teilchen genug Energie haben, um ein Elektron zu entfernen. Dies führt zur Bildung von Ionenpaaren in der umgebenden Materie.

Eine geeignete Variable, die die Ionisationseigenschaften des umgebenden Mediums beschreibt, ist die Stoppleistung . Der klassische Ausdruck, der den spezifischen Energieverlust beschreibt, ist als Bethe-Formel bekannt . Bei Alpha-Partikeln und schwereren Partikeln ist die Bremskraft der meisten Materialien bei stark geladenen Partikeln sehr hoch, und diese Partikel haben sehr kurze Reichweiten.

Zusätzlich zu diesen Wechselwirkungen verlieren Betateilchen durch den als Bremsstrahlung bekannten Strahlungsprozess Energie . Wenn ein geladenes Teilchen beschleunigt oder abgebremst wird, muss es nach klassischer Theorie Energie abstrahlen, und die Verzögerungsstrahlung wird als Bremsstrahlung („Bremsstrahlung“) bezeichnet .

Photonen (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) können Atome durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt direkt ionisieren (obwohl sie elektrisch neutral sind), die sekundäre (indirekte) Ionisierung ist jedoch viel bedeutender. Obwohl eine große Anzahl möglicher Wechselwirkungen bekannt ist, gibt es drei wichtige Wechselwirkungsmechanismen mit Materie.

• Photoelektrischer Effekt
• Compton-Effekt
• Paarfertigung

In allen Fällen lagert ein Teilchen ionisierender Strahlung einen Teil seiner Energie auf seinem Weg ab. Durch den Detektor gelangende Teilchen ionisieren die Atome des Halbleiters und erzeugen die Elektronen-Loch-Paare . Zum Beispiel sind typische Dicke von Siliziumdetektor sind etwa 300 um , so dass die Anzahl der erzeugten Elektronen-Loch – Paare durch mindestens ionisierenden Teilchens (MIP) , die senkrecht durch den Detektor etwa beträgt 3,2 x 10 ⁴ . Dieser Wert ist gering im Vergleich zu der Gesamtzahl der freien Ladungsträger in intrinsischem Halbleiter mit einer Oberfläche von 1 cm ² und dem gleichen Dicke. Es ist zu beachten, dass eine Probe von reinem Germanium bei 20 ° C etwa 1,26 × 10 ²¹ Atome enthält, aber auch 7,5 × 10 ¹¹freie Elektronen und 7,5 x 10 ¹¹ Löcher, die ständig aus thermischer Energie erzeugt werden . Wie zu sehen ist, wäre das Signal-Rausch-Verhältnis (S / N) minimal. Die Zugabe von 0,001% Arsen (eine Verunreinigung) spendet zusätzliche 10 ¹⁵ freie Elektronen im gleichen Volumen und die elektrische Leitfähigkeit wird um den Faktor 10.000 erhöht. Bei dotiertem Material wäre das Signal-Rausch-Verhältnis (S / N) noch kleiner. Das Abkühlen des Halbleiters ist ein Weg, um dieses Verhältnis zu verringern.

Eine Verbesserung kann durch Verwendung einer Sperrspannung an dem PN-Übergang erreicht werden, um den Detektor von freien Ladungsträgern zu entleeren, was das Prinzip der meisten Siliziumstrahlungsdetektoren ist. In diesem Fall wird eine negative Spannung an die p-Seite und eine positive an die zweite angelegt. Löcher in der p-Region werden vom Übergang in Richtung des p-Kontakts und in ähnlicher Weise für Elektronen und den n-Kontakt angezogen.

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 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.

Optische und thermische Anregung in Halbleitern

Energie für die Anregung kann auf verschiedene Arten gewonnen werden.

Thermische Anregung

In Abwesenheit einer externen Energiequelle werden auch ständig Elektronen-Loch-Paare aus thermischer Energie erzeugt. Die thermische Anregung erfordert keine andere Form des Startimpulses. Dieses Phänomen tritt auch bei Raumtemperatur auf. Es wird durch Verunreinigungen, Unregelmäßigkeiten im Strukturgitter oder durch Dotierstoffe verursacht. Es hängt stark von der E- _{Lücke ab} (ein Abstand zwischen Valenz und Leitungsband), so dass für die untere E- _Lückeeine Anzahl von thermisch angeregten Ladungsträgern nimmt zu. Da thermische Anregung zu Detektorrauschen führt, ist für einige Halbleitertypen (z. B. Germanium) eine aktive Kühlung erforderlich. Detektoren auf Siliziumbasis weisen auch bei Raumtemperatur ein ausreichend geringes Rauschen auf. Dies wird durch die große Bandlücke von Silizium (Egap = 1,12 eV) verursacht, die es uns ermöglicht, den Detektor bei Raumtemperatur zu betreiben. Eine Kühlung wird jedoch bevorzugt, um das Rauschen zu reduzieren.

Optische Anregung

Es ist zu beachten, dass die Energie eines einzelnen Photons des sichtbaren Lichtspektrums mit diesen Bandlücken vergleichbar ist. Photonen mit Wellenlängen von 700 nm bis 400 nm haben Energien von 1,77 eV bis 3,10 eV. Dadurch kann auch sichtbares Licht Elektronen zum Leitungsband anregen. Tatsächlich ist dies das Prinzip von Photovoltaikmodulen, die elektrischen Strom erzeugen.

Freie Ladungsträger im Halbleiter sind Elektronen und Elektronenlöcher (Elektron-Loch-Paare). 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 existieren könnteoder Atomgitter. Es ist eine der beiden Arten von Ladungsträgern, die für die Erzeugung von elektrischem Strom in Halbleitermaterialien verantwortlich sind. Da in einem normalen Atom- oder Kristallgitter die negative Ladung der Elektronen durch die positive Ladung der Atomkerne ausgeglichen wird, verbleibt beim Fehlen eines Elektrons eine positive Nettoladung am Ort des Lochs. Positiv geladene Löcher können sich in Halbleitermaterialien von Atom zu Atom bewegen, wenn Elektronen ihre Position verlassen. Wenn ein Elektron auf ein Loch trifft, rekombinieren sie und diese freien Ladungsträger verschwinden effektiv. Die Rekombination bedeutet, dass ein Elektron, das vom Valenzband zum Leitungsband angeregt wurde, in den leeren Zustand im Valenzband zurückfällt, der als Löcher bekannt ist.

Die Leitfähigkeit eines Halbleiters kann im Sinne der Bandentheorie von Festkörpern modelliert werden . Das Bandmodell eines Halbleiters legt nahe, dass es bei normalen Temperaturen eine begrenzte Möglichkeit gibt, dass Elektronen das Leitungsband erreichen und zur elektrischen Leitung beitragen können. Im Halbleiter werden durch Anregung von Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband freie Ladungsträger ( Elektron-Loch-Paare ) erzeugt. Diese Anregung hinterließ ein Loch im Valenzband, das sich als positive Ladung verhält, und es entsteht ein Elektron-Loch-Paar. Löcher können manchmal verwirrend sein, da sie nicht wie Elektronen physikalische Teilchen sind, sondern das Fehlen eines Elektrons in einem Atom. Löcher können sich von Atom zu Atom bewegen in halbleitenden Materialien als Elektronen verlassen ihre Positionen.

Elektronenanregung in Halbleitern

Energie für die Anregung kann auf verschiedene Arten gewonnen werden.

Thermische Anregung

In Abwesenheit einer externen Energiequelle werden auch ständig Elektronen-Loch-Paare aus thermischer Energie erzeugt. Die thermische Anregung erfordert keine andere Form des Startimpulses. Dieses Phänomen tritt auch bei Raumtemperatur auf. Es wird durch Verunreinigungen, Unregelmäßigkeiten im Strukturgitter oder durch Dotierstoffe verursacht. Es hängt stark von der E- _{Lücke ab} (ein Abstand zwischen Valenz und Leitungsband), so dass für die untere E- _Lückeeine Anzahl von thermisch angeregten Ladungsträgern nimmt zu. Da thermische Anregung zu Detektorrauschen führt, ist für einige Halbleitertypen (z. B. Germanium) eine aktive Kühlung erforderlich. Detektoren auf Siliziumbasis weisen auch bei Raumtemperatur ein ausreichend geringes Rauschen auf. Dies wird durch die große Bandlücke von Silizium (Egap = 1,12 eV) verursacht, die es uns ermöglicht, den Detektor bei Raumtemperatur zu betreiben. Eine Kühlung wird jedoch bevorzugt, um das Rauschen zu reduzieren.

Optische Anregung

Es ist zu beachten, dass die Energie eines einzelnen Photons des sichtbaren Lichtspektrums mit diesen Bandlücken vergleichbar ist. Photonen mit Wellenlängen von 700 nm bis 400 nm haben Energien von 1,77 eV bis 3,10 eV. Dadurch kann auch sichtbares Licht Elektronen zum Leitungsband anregen. Tatsächlich ist dies das Prinzip von Photovoltaikmodulen, die elektrischen Strom erzeugen.

Anregung durch ionisierende Strahlung

Elektronen können das Leitungsband erreichen, wenn sie durch ionisierende Strahlung angeregt werden (dh sie müssen eine höhere Energie als Egap erhalten). Im Allgemeinen übertragen stark geladene Teilchen Energie hauptsächlich durch:

• Erregung. Das geladene Teilchen kann Energie auf das Atom übertragen und Elektronen auf ein höheres Energieniveau bringen.
• Ionisation. Eine Ionisierung kann auftreten, wenn die geladenen Teilchen genug Energie haben, um ein Elektron zu entfernen. Dies führt zur Bildung von Ionenpaaren in der umgebenden Materie.

Eine geeignete Variable, die die Ionisationseigenschaften des umgebenden Mediums beschreibt, ist die Stoppleistung . Der klassische Ausdruck, der den spezifischen Energieverlust beschreibt, ist als Bethe-Formel bekannt . Bei Alpha-Partikeln und schwereren Partikeln ist die Bremskraft der meisten Materialien bei stark geladenen Partikeln sehr hoch, und diese Partikel haben sehr kurze Reichweiten.

Zusätzlich zu diesen Wechselwirkungen verlieren Beta-Partikel durch Strahlungsprozesse, die als Bremsstrahlung bekannt sind, Energie . Nach der klassischen Theorie muss ein geladenes Teilchen beim Beschleunigen oder Abbremsen Energie ausstrahlen, und die Verzögerungsstrahlung wird als Bremsstrahlung („Bremsstrahlung“) bezeichnet .

Photonen (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) können Atome durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt direkt (obwohl sie elektrisch neutral sind) ionisieren, aber die sekundäre (indirekte) Ionisation ist viel bedeutender. Obwohl eine große Anzahl möglicher Wechselwirkungen bekannt ist, gibt es drei wichtige Wechselwirkungsmechanismen mit Materie.

• Photoelektrischer Effekt
• Compton-Effekt
• Paarproduktion

In allen Fällen lagert ein Teilchen ionisierender Strahlung einen Teil seiner Energie auf seinem Weg ab. Durch den Detektor laufende Teilchen ionisieren die Halbleiteratome und erzeugen die Elektron-Loch-Paare . Zum Beispiel sind typische Dicke von Siliziumdetektor sind etwa 300 um , so dass die Anzahl der erzeugten Elektronen-Loch – Paare durch mindestens ionisierenden Teilchens (MIP) , die senkrecht durch den Detektor etwa beträgt 3,2 x 10 ⁴ . Dieser Wert ist im Vergleich zur Gesamtzahl der freien Ladungsträger im intrinsischen Halbleiter mit einer Oberfläche von 1 cm ² und derselben Dicke gering . Es ist zu beachten, dass eine Probe von reinem Germanium bei 20 ° C etwa 1,26 × 10 ²¹ Atome enthält, aber auch 7,5 × 10 ¹¹freie Elektronen und 7,5 x 10 ¹¹ Löcher, die ständig aus Wärmeenergie erzeugt werden . Wie zu sehen ist, wäre das Signal-Rausch-Verhältnis (S / N) minimal. Die Zugabe von 0,001% Arsen (eine Verunreinigung) spendet zusätzliche 10 ¹⁵ freie Elektronen im gleichen Volumen und die elektrische Leitfähigkeit wird um den Faktor 10.000 erhöht. In dotiertem Material wäre das Signal-Rausch-Verhältnis (S / N) noch kleiner. Das Abkühlen des Halbleiters ist eine Möglichkeit, dieses Verhältnis zu senken.

Eine Verbesserung kann durch Verwendung einer Sperrspannung am PN-Übergang erreicht werden, um den Detektor von freien Ladungsträgern zu befreien, was das Prinzip der meisten Siliziumstrahlungsdetektoren ist. In diesem Fall wird eine negative Spannung an die p-Seite und eine positive an die zweite Seite angelegt. Löcher im p-Bereich werden vom Übergang zum p-Kontakt und ähnlich zu Elektronen und dem n-Kontakt angezogen.