Was ist Siliziumbasierter Halbleiterdetektor – Definition

Halbleiterdetektoren auf Siliziumbasis werden hauptsächlich für Detektoren für geladene Teilchen (insbesondere zum Verfolgen geladener Teilchen) und für weiche Röntgendetektoren verwendet. Strahlendosimetrie
Siliziumstreifendetektor - Halbleiter
Silicin Strip Detector Quelle: micronsemiconductor.co.uk

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.

Anwendung von Siliziumdetektoren

Da Detektoren auf Siliziumbasis sehr gut zur Verfolgung geladener Teilchen geeignet sind, bilden sie einen wesentlichen Teil des Detektionssystems am LHC im CERN. Die meisten Siliziumpartikeldetektoren arbeiten im Prinzip, indem sie schmale (normalerweise etwa 100 Mikrometer breite) Siliziumstreifen dotieren , 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. Das Anordnen 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)

Siliziumstreifendetektoren

Detektoren auf Siliziumbasis eignen sich sehr gut zur Verfolgung geladener Teilchen. 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) Trajektorien geladener Teilchen mit Positionsgenauigkeiten in der Größenordnung von mehreren μm in Querrichtung zu bestimmen. Diese Implantate werden auf einem niedrig dotierten, vollständig abgereicherten Siliziumwafer platziert und bilden 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 und dann zerfallen ist.

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

Delta E - E Teleskop - Diagramm
Beispiel eines Histogramms vom ΔE-E-Detektor. Jede hyperbolaähnliche Kurve repräsentiert unterschiedliche Partikel im Strahl.

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.

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