Was ist ein Halbleiterdetektor auf Germanium-Basis – Definition

Halbleiterdetektoren auf Germaniumbasis werden am häufigsten dort eingesetzt, wo eine sehr gute Energieauflösung erforderlich ist, insbesondere für die Gammaspektroskopie sowie die Röntgenspektroskopie. Strahlendosimetrie

Germanium-basierte Halbleiterdetektoren

HPGe Detektor - Germanium
HPGe-Detektor mit LN2-Kryostat Quelle: canberra.com

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.

Germaniumdetektor – Funktionsprinzip

Die Funktionsweise von Halbleiterdetektoren ist in folgenden Punkten zusammengefasst:

  • Ionisierende Strahlung tritt in das empfindliche Volumen ( Germaniumkristall ) des Detektors ein und interagiert mit dem Halbleitermaterial.
  • Durch den Detektor hindurchtretendes hochenergetisches Photon ionisiert die Atome des Halbleiters und erzeugt die Elektron-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.
  • Da Germanium eine abgereicherte, empfindliche Dicke von Zentimetern haben kann, können sie energiereiche Photonen  (bis zu wenigen MeV) vollständig absorbieren .
  • 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.

In allen Fällen lagert ein Photon einen Teil seiner Energie auf seinem Weg ab und kann vollständig absorbiert werden. Die Gesamtabsorption eines 1 MeV-Photons erzeugt etwa 3 x 10 5 Elektron-Loch-Paare. Dieser Wert ist im Vergleich zur Gesamtzahl der freien Ladungsträger in einem intrinsischen Halbleiter von 1 cm 3 gering . Durch den Detektor laufende Teilchen ionisieren die Halbleiteratome und erzeugen die Elektron-Loch-Paare. Bei Detektoren auf Germaniumbasis bei Raumtemperatur dominiert jedoch die thermische Anregung . 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), der für Germanium sehr gering ist (Egap = 0,67 eV). Da thermische Anregung zu Detektorrauschen führt, ist für einige Halbleitertypen (z. B. Germanium) eine aktive Kühlung erforderlich.

Germanium - HalbleiterEs ist zu beachten, dass eine 1 cm 3 -Probe von reinem Germanium bei 20 ° C ungefähr 4,2 × 10 22 Atome enthält, aber auch ungefähr 2,5 × 10 13 freie Elektronen und 2,5 × 10 13 Löcher enthält, die ständig aus Wärmeenergie erzeugt werden. Wie zu sehen ist, wäre das Signal-Rausch-Verhältnis (S / N) minimal (vergleiche es mit 3 × 10 5 Elektron-Loch-Paaren). Die Zugabe von 0,001% Arsen (eine Verunreinigung) spendet zusätzlich 10 17freie 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. Da Germanium eine relativ geringe Bandlücke aufweist, müssen diese Detektoren gekühlt werden, um die thermische Erzeugung von Ladungsträgern (also den umgekehrten Leckstrom) auf ein akzeptables Maß zu reduzieren. Andernfalls zerstört durch Leckstrom induziertes Rauschen die Energieauflösung des Detektors.

Reverse Bias Junction

Der Halbleiterdetektor arbeitet viel besser als Strahlungsdetektor, wenn eine externe Spannung in umgekehrter Richtung über den Übergang angelegt wird . Der Verarmungsbereich fungiert als Strahlungsdetektor. Eine Verbesserung kann durch Verwendung einer Sperrspannung am PN-Übergang erreicht werdenden Detektor von freien Ladungsträgern zu erschöpfen, was das Prinzip der meisten Halbleiterdetektoren ist. Die umgekehrte Vorspannung eines Übergangs erhöht die Dicke des Verarmungsbereichs, da die Potentialdifferenz über den Übergang erhöht wird. Germaniumdetektoren haben eine Stiftstruktur, in der der intrinsische (i) Bereich gegenüber ionisierender Strahlung, insbesondere Röntgen- und Gammastrahlen, empfindlich ist. Unter Sperrvorspannung erstreckt sich ein elektrisches Feld über den intrinsischen oder abgereicherten Bereich. 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. Diese Ladung, die proportional zu der vom einfallenden Photon im Detektor abgelagerten Energie ist,

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

 

Anwendung von Germaniumdetektoren – Gammaspektroskopie

Wie bereits geschrieben, wird das Studium und die Analyse von Gammastrahlenspektren für wissenschaftliche und technische Zwecke als Gammaspektroskopie bezeichnet, und Gammastrahlenspektrometer sind die Instrumente, die solche Daten beobachten und sammeln. Ein Gammastrahlenspektrometer (GRS) ist ein hoch entwickeltes Gerät zur Messung der Energieverteilung von Gammastrahlung. Für die Messung von Gammastrahlen über mehreren hundert keV gibt es zwei Detektorkategorien von großer Bedeutung,  anorganische Szintillatoren wie NaI (Tl) –  und  Halbleiterdetektoren. In den vorhergehenden Artikeln haben wir die Gammaspektroskopie unter Verwendung eines Szintillationsdetektors beschrieben, der aus einem geeigneten Szintillatorkristall, einer Fotovervielfacherröhre und einer Schaltung zum Messen der Höhe der vom Fotovervielfacher erzeugten Impulse besteht. Die Vorteile eines Szintillationszählers sind seine Effizienz (große Größe und hohe Dichte) und die möglichen hohen Präzisions- und Zählraten. Aufgrund der hohen Atomzahl von Jod führt eine große Anzahl aller Wechselwirkungen zu einer vollständigen Absorption der Gammastrahlenenergie, so dass der Photofraktion hoch ist.

HPGe-Detektorspektrum
Abbildung: Bildunterschrift: Vergleich der NaI (Tl) – und HPGe-Spektren für Cobalt-60. Quelle: Radioisotope und Strahlenmethodik I, II. Soo Hyun Byun, Vorlesungsskript. McMaster University, Kanada.

Wenn jedoch eine  perfekte Energieauflösung  erforderlich ist, müssen wir einen Detektor auf  Germaniumbasis wie den  HPGe-Detektor verwenden . Halbleiterdetektoren auf Germaniumbasis werden am häufigsten dort eingesetzt, wo eine sehr gute Energieauflösung erforderlich ist, insbesondere für die  Gammaspektroskopie sowie für die  Röntgenspektroskopie. In der Gammaspektroskopie wird Germanium bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und die Wahrscheinlichkeit einer Gammastrahlenwechselwirkung erhöht. Darüber hinaus hat Germanium eine niedrigere durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares erforderlich ist, nämlich 3,6 eV für Silizium und 2,9 eV für Germanium. Dies bietet letzteren auch eine bessere Energieauflösung. Das FWHM (volle Breite bei halbem Maximum) für Germaniumdetektoren ist eine Funktion der Energie. Für ein 1,3-MeV-Photon beträgt die FWHM 2,1 keV, was sehr niedrig ist.

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