Was ist Anregung durch ionisierende Strahlung – Definition

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.