{"id":20341,"date":"2020-07-08T05:45:49","date_gmt":"2020-07-08T05:45:49","guid":{"rendered":"https:\/\/www.radiation-dosimetry.org\/was-ist-ein-halbleiterdetektor-auf-germanium-basis-definition\/"},"modified":"2021-07-13T12:56:51","modified_gmt":"2021-07-13T12:56:51","slug":"was-ist-ein-halbleiterdetektor-auf-germanium-basis-definition","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.radiation-dosimetry.org\/de\/was-ist-ein-halbleiterdetektor-auf-germanium-basis-definition\/","title":{"rendered":"Was ist ein Halbleiterdetektor aus Germanium"},"content":{"rendered":"<div class=\"su-quote su-quote-style-default\">\n<div class=\"su-quote-inner su-u-clearfix su-u-trim\">Halbleiterdetektoren aus Germanium werden am h\u00e4ufigsten dort eingesetzt, wo eine sehr gute Energieaufl\u00f6sung erforderlich ist, insbesondere f\u00fcr die Gammaspektroskopie sowie die R\u00f6ntgenspektroskopie.<\/div>\n<\/div>\n<div class=\"su-divider su-divider-style-dotted\"><\/div>\n<div class=\"lgc-column lgc-grid-parent lgc-grid-100 lgc-tablet-grid-100 lgc-mobile-grid-100 lgc-equal-heights lgc-first lgc-last\">\n<div class=\"inside-grid-column\">\n<h2>Germanium-basierte Halbleiterdetektoren<\/h2>\n<figure id=\"attachment_26112\" class=\"wp-caption alignright\" aria-describedby=\"caption-attachment-26112\"><a href=\"https:\/\/www.radiation-dosimetry.org\/wp-content\/uploads\/2019\/12\/HPGe-Detector-Germanium.png\"><img loading=\"lazy\" class=\"size-medium wp-image-26112\" src=\"https:\/\/www.radiation-dosimetry.org\/wp-content\/uploads\/2019\/12\/HPGe-Detector-Germanium-300x204.png\" alt=\"HPGe Detektor - Germanium\" width=\"300\" height=\"204\" \/><\/a><figcaption id=\"caption-attachment-26112\" class=\"wp-caption-text\">HPGe-Detektor mit LN2-Kryostat Quelle: canberra.com<\/figcaption><\/figure>\n<p><strong>Halbleiterdetektoren auf Germaniumbasis<\/strong>\u00a0werden am h\u00e4ufigsten dort eingesetzt, wo eine\u00a0<strong>sehr gute Energieaufl\u00f6sung<\/strong>\u00a0erforderlich ist, insbesondere f\u00fcr die\u00a0<a href=\"https:\/\/www.nuclear-power.com\/nuclear-engineering\/radiation-detection\/gamma-spectroscopy\/\"><strong>Gammaspektroskopie<\/strong><\/a>sowie R\u00f6ntgenspektroskopie.\u00a0In der Gammaspektroskopie wird Germanium bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel h\u00f6her als die von Silizium ist und die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung mit Gammastrahlen erh\u00f6ht.\u00a0Dar\u00fcber hinaus hat Germanium eine niedrigere durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Elektronen-Loch-Paares erforderlich ist: 3,6 eV f\u00fcr Silizium und 2,9 eV f\u00fcr Germanium.\u00a0Dies bietet letztere auch eine bessere Energieaufl\u00f6sung.\u00a0Ein gro\u00dfer, sauberer und nahezu perfekter Germaniumhalbleiter ist ideal als Z\u00e4hler f\u00fcr Radioaktivit\u00e4t.\u00a0Es ist jedoch schwierig und teuer, gro\u00dfe Kristalle mit ausreichender Reinheit herzustellen.\u00a0W\u00e4hrend Detektoren auf Siliziumbasis nicht dicker als ein paar Millimeter sein k\u00f6nnen, kann Germanium eine abgereicherte, empfindliche Dicke von Zentimetern aufweisen und kann daher als\u00a0<strong>Totalabsorptionsdetektor<\/strong>\u00a0f\u00fcr Gammastrahlen bis zu wenigen MeV verwendet werden.<\/p>\n<p>Andererseits m\u00fcssen die Detektoren, um eine maximale Effizienz zu erreichen, bei sehr niedrigen Temperaturen von fl\u00fcssigem Stickstoff (-196 \u00b0 C) arbeiten, da bei Raumtemperaturen das durch thermische Anregung verursachte Rauschen sehr hoch ist.<\/p>\n<p>Da Germaniumdetektoren die h\u00f6chste heute allgemein verf\u00fcgbare Aufl\u00f6sung erzeugen, werden sie zur Messung von Strahlung in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschlie\u00dflich Personal- und Umgebungs\u00fcberwachung auf radioaktive Kontamination, medizinische Anwendungen, radiometrische Tests, nukleare Sicherheit und Sicherheit von Kernkraftwerken.<\/p>\n<h2>Germaniumdetektor &#8211; Funktionsprinzip<\/h2>\n<p>Die Funktionsweise von Halbleiterdetektoren ist in folgenden Punkten zusammengefasst:<\/p>\n<ul>\n<li><a href=\"https:\/\/www.nuclear-power.com\/nuclear-power\/reactor-physics\/atomic-nuclear-physics\/radiation\/ionizing-radiation\/\">Ionisierende Strahlung<\/a>\u00a0tritt in das empfindliche Volumen (\u00a0<strong>Germaniumkristall<\/strong>\u00a0) des Detektors ein und interagiert mit dem Halbleitermaterial.<\/li>\n<li>Durch den Detektor hindurchtretendes hochenergetisches Photon ionisiert die Atome des Halbleiters und erzeugt die\u00a0<a href=\"https:\/\/www.nuclear-power.com\/nuclear-engineering\/radiation-detection\/semiconductor-detectors\/what-are-semiconductors-properties-of-semiconductors\/electron-hole-pair\/\">Elektron-Loch-Paare<\/a>\u00a0.\u00a0Die Anzahl der Elektronen-Loch-Paare ist proportional zur Energie der Strahlung zum Halbleiter.\u00a0Infolgedessen wird eine Anzahl von Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband \u00fcbertragen, und es wird eine gleiche Anzahl von L\u00f6chern im Valenzband erzeugt.<\/li>\n<li>Da Germanium eine abgereicherte, empfindliche Dicke von Zentimetern haben kann, k\u00f6nnen sie\u00a0<strong>energiereiche Photonen<\/strong>\u00a0\u00a0(bis zu wenigen MeV)\u00a0<strong>vollst\u00e4ndig absorbieren<\/strong>\u00a0.<\/li>\n<li>Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes wandern Elektronen und L\u00f6cher zu den Elektroden, wo sie zu einem Impuls f\u00fchren, der in einem \u00e4u\u00dferen Stromkreis gemessen werden kann.<\/li>\n<li>Dieser Impuls gibt Auskunft \u00fcber die Energie der urspr\u00fcnglich einfallenden Strahlung.\u00a0Die Anzahl solcher Impulse pro Zeiteinheit gibt auch Auskunft \u00fcber die Intensit\u00e4t der Strahlung.<\/li>\n<\/ul>\n<p>In allen F\u00e4llen lagert ein Photon einen Teil seiner Energie auf seinem Weg ab und kann vollst\u00e4ndig absorbiert werden.\u00a0Die Gesamtabsorption eines 1 MeV-Photons erzeugt etwa 3 x 10\u00a0<sup>5<\/sup>\u00a0Elektron-Loch-Paare.\u00a0Dieser Wert ist im Vergleich zur Gesamtzahl der freien Ladungstr\u00e4ger in einem\u00a0<a href=\"https:\/\/www.nuclear-power.com\/nuclear-engineering\/radiation-detection\/semiconductor-detectors\/types-of-semiconductors\/intrinsic-semiconductor-pure-semiconductor\/\">intrinsischen Halbleiter von<\/a>\u00a01 cm\u00a0<sup>3<\/sup>\u00a0gering\u00a0.\u00a0Durch den Detektor laufende Teilchen ionisieren die Halbleiteratome und erzeugen die Elektron-Loch-Paare.\u00a0Bei Detektoren auf Germaniumbasis bei Raumtemperatur\u00a0dominiert jedoch die\u00a0<a href=\"https:\/\/www.nuclear-power.com\/nuclear-engineering\/radiation-detection\/semiconductor-detectors\/what-are-semiconductors-properties-of-semiconductors\/optical-and-thermal-excitation\/\"><strong>thermische Anregung<\/strong><\/a>\u00a0.\u00a0Es wird durch Verunreinigungen, Unregelm\u00e4\u00dfigkeiten im Strukturgitter oder durch\u00a0<a href=\"https:\/\/www.nuclear-power.com\/nuclear-engineering\/radiation-detection\/semiconductor-detectors\/types-of-semiconductors\/what-is-dopant-in-semiconductors\/\">Dotierstoffe verursacht<\/a>\u00a0.\u00a0Es h\u00e4ngt stark von der E-\u00a0<sub>L\u00fccke ab<\/sub>(ein Abstand zwischen Valenz und Leitungsband), der f\u00fcr Germanium sehr gering ist (Egap = 0,67 eV).\u00a0Da thermische Anregung zu Detektorrauschen f\u00fchrt, ist f\u00fcr einige Halbleitertypen (z. B. Germanium) eine aktive K\u00fchlung erforderlich.<\/p>\n<p><a href=\"https:\/\/www.radiation-dosimetry.org\/wp-content\/uploads\/2019\/12\/germanium-semiconductor-energy-gap.png\"><img loading=\"lazy\" class=\"alignright size-medium wp-image-26568 lazy-loaded\" src=\"https:\/\/www.radiation-dosimetry.org\/wp-content\/uploads\/2019\/12\/germanium-semiconductor-energy-gap-300x207.png\" alt=\"Germanium - Halbleiter\" width=\"300\" height=\"207\" data-lazy-type=\"image\" data-src=\"https:\/\/www.radiation-dosimetry.org\/wp-content\/uploads\/2019\/12\/germanium-semiconductor-energy-gap-300x207.png\" \/><\/a>Es ist zu beachten, dass eine 1 cm\u00a0<sup>3<\/sup>\u00a0-Probe von reinem Germanium bei 20 \u00b0 C ungef\u00e4hr 4,2 \u00d7 10\u00a0<sup>22<\/sup>\u00a0Atome enth\u00e4lt, aber auch ungef\u00e4hr 2,5 \u00d7 10\u00a0<sup>13<\/sup>\u00a0freie Elektronen und 2,5 \u00d7 10\u00a0<sup>13<\/sup>\u00a0L\u00f6cher enth\u00e4lt, die st\u00e4ndig aus W\u00e4rmeenergie erzeugt werden.\u00a0Wie zu sehen ist, w\u00e4re das Signal-Rausch-Verh\u00e4ltnis (S \/ N) minimal (vergleiche es mit 3 \u00d7 10\u00a0<sup>5<\/sup>\u00a0Elektron-Loch-Paaren).\u00a0Die Zugabe von 0,001% Arsen (eine Verunreinigung) spendet zus\u00e4tzlich 10\u00a0<sup>17<\/sup>freie Elektronen im gleichen Volumen und die elektrische Leitf\u00e4higkeit wird um den Faktor 10.000 erh\u00f6ht.\u00a0In dotiertem Material w\u00e4re das Signal-Rausch-Verh\u00e4ltnis (S \/ N) noch kleiner.\u00a0Da Germanium eine relativ geringe Bandl\u00fccke aufweist, m\u00fcssen diese Detektoren gek\u00fchlt werden, um die thermische Erzeugung von Ladungstr\u00e4gern (also den umgekehrten Leckstrom) auf ein akzeptables Ma\u00df zu reduzieren.\u00a0Andernfalls zerst\u00f6rt durch Leckstrom induziertes Rauschen die Energieaufl\u00f6sung des Detektors.<\/p>\n<h3>Reverse Bias Junction<\/h3>\n<p>Der Halbleiterdetektor arbeitet viel besser als Strahlungsdetektor, wenn eine externe Spannung in\u00a0<strong>umgekehrter Richtung<\/strong>\u00a0\u00fcber den \u00dcbergang angelegt wird\u00a0.\u00a0Der\u00a0<strong>Verarmungsbereich<\/strong>\u00a0fungiert als Strahlungsdetektor.\u00a0Eine Verbesserung kann durch Verwendung einer Sperrspannung am\u00a0<strong>PN-\u00dcbergang erreicht werden<\/strong>den Detektor von freien Ladungstr\u00e4gern zu ersch\u00f6pfen, was das Prinzip der meisten Halbleiterdetektoren ist.\u00a0Die umgekehrte Vorspannung eines \u00dcbergangs erh\u00f6ht die Dicke des Verarmungsbereichs, da die Potentialdifferenz \u00fcber den \u00dcbergang erh\u00f6ht wird.\u00a0Germaniumdetektoren haben eine Stiftstruktur, in der der intrinsische (i) Bereich gegen\u00fcber ionisierender Strahlung, insbesondere R\u00f6ntgen- und Gammastrahlen, empfindlich ist.\u00a0Unter Sperrvorspannung erstreckt sich ein elektrisches Feld \u00fcber den intrinsischen oder abgereicherten Bereich.\u00a0In diesem Fall wird eine negative Spannung an die p-Seite und eine positive an die zweite Seite angelegt.\u00a0L\u00f6cher im p-Bereich werden vom \u00dcbergang zum p-Kontakt und \u00e4hnlich zu Elektronen und dem n-Kontakt angezogen.\u00a0Diese Ladung, die proportional zu der vom einfallenden Photon im Detektor abgelagerten Energie ist,<\/p>\n<p>Siehe auch: Germaniumdetektoren, MIRION Technologies.\u00a0&lt;verf\u00fcgbar unter: https:\/\/www.mirion.com\/products\/germanium-detectors&gt;.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<div class=\"su-spoiler su-spoiler-style-default su-spoiler-icon-plus su-spoiler-closed\">\n<div class=\"su-spoiler-content su-u-clearfix su-u-trim\"><\/div>\n<\/div>\n<h3>Anwendung von Germaniumdetektoren &#8211; Gammaspektroskopie<\/h3>\n<p>Wie bereits geschrieben, wird das Studium und die Analyse von Gammastrahlenspektren f\u00fcr wissenschaftliche und technische Zwecke als Gammaspektroskopie bezeichnet, und Gammastrahlenspektrometer sind die Instrumente, die solche Daten beobachten und sammeln.\u00a0Ein Gammastrahlenspektrometer (GRS) ist ein hoch entwickeltes Ger\u00e4t zur Messung der Energieverteilung von Gammastrahlung.\u00a0F\u00fcr die Messung von Gammastrahlen \u00fcber mehreren hundert keV gibt es zwei Detektorkategorien von gro\u00dfer Bedeutung,\u00a0\u00a0<a href=\"https:\/\/www.nuclear-power.com\/nuclear-engineering\/radiation-detection\/scintillation-counter-scintillation-detector\/naitl-scintillators\/\"><strong>anorganische Szintillatoren wie NaI (Tl) &#8211;<\/strong><\/a>\u00a0\u00a0und\u00a0\u00a0<strong>Halbleiterdetektoren<\/strong>.\u00a0In den vorhergehenden Artikeln haben wir die Gammaspektroskopie unter Verwendung eines Szintillationsdetektors beschrieben, der aus einem geeigneten Szintillatorkristall, einer Fotovervielfacherr\u00f6hre und einer Schaltung zum Messen der H\u00f6he der vom Fotovervielfacher erzeugten Impulse besteht.\u00a0Die Vorteile eines Szintillationsz\u00e4hlers sind seine Effizienz (gro\u00dfe Gr\u00f6\u00dfe und hohe Dichte) und die m\u00f6glichen hohen Pr\u00e4zisions- und Z\u00e4hlraten.\u00a0Aufgrund der hohen Atomzahl von Jod f\u00fchrt eine gro\u00dfe Anzahl aller Wechselwirkungen zu einer vollst\u00e4ndigen Absorption der Gammastrahlenenergie, so dass der Photofraktion hoch ist.<\/p>\n<figure id=\"attachment_26113\" class=\"wp-caption alignright\" aria-describedby=\"caption-attachment-26113\"><a href=\"http:\/\/www.radiation-dosimetry.org\/wp-content\/uploads\/2019\/12\/HPGe-Detector-spectrum.png\"><img loading=\"lazy\" class=\"wp-image-26113 lazy-loaded\" src=\"http:\/\/www.radiation-dosimetry.org\/wp-content\/uploads\/2019\/12\/HPGe-Detector-spectrum.png\" alt=\"HPGe-Detektorspektrum\" width=\"331\" height=\"276\" data-lazy-type=\"image\" data-src=\"http:\/\/www.radiation-dosimetry.org\/wp-content\/uploads\/2019\/12\/HPGe-Detector-spectrum.png\" \/><\/a><figcaption id=\"caption-attachment-26113\" class=\"wp-caption-text\">Abbildung: Bildunterschrift: Vergleich der NaI (Tl) &#8211; und HPGe-Spektren f\u00fcr Cobalt-60.\u00a0Quelle: Radioisotope und Strahlenmethodik I, II.\u00a0Soo Hyun Byun, Vorlesungsskript.\u00a0McMaster University, Kanada.<\/figcaption><\/figure>\n<p>Wenn jedoch eine\u00a0\u00a0<strong>perfekte Energieaufl\u00f6sung<\/strong>\u00a0\u00a0erforderlich ist, m\u00fcssen wir einen\u00a0<strong>Detektor<\/strong>\u00a0auf\u00a0\u00a0<strong>Germaniumbasis<\/strong>\u00a0wie den\u00a0\u00a0<strong>HPGe-Detektor verwenden<\/strong>\u00a0.\u00a0Halbleiterdetektoren auf Germaniumbasis werden am h\u00e4ufigsten dort eingesetzt, wo eine sehr gute Energieaufl\u00f6sung erforderlich ist, insbesondere f\u00fcr die\u00a0\u00a0<a href=\"https:\/\/www.nuclear-power.com\/nuclear-engineering\/radiation-detection\/gamma-spectroscopy\/\"><strong>Gammaspektroskopie<\/strong><\/a>\u00a0sowie f\u00fcr die\u00a0\u00a0<strong>R\u00f6ntgenspektroskopie<\/strong>.\u00a0In der Gammaspektroskopie wird Germanium bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel h\u00f6her als die von Silizium ist und die Wahrscheinlichkeit einer Gammastrahlenwechselwirkung erh\u00f6ht.\u00a0Dar\u00fcber hinaus hat Germanium eine niedrigere durchschnittliche Energie, die zur Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares erforderlich ist, n\u00e4mlich 3,6 eV f\u00fcr Silizium und 2,9 eV f\u00fcr Germanium.\u00a0Dies bietet letzteren auch eine bessere Energieaufl\u00f6sung.\u00a0Das FWHM (volle Breite bei halbem Maximum) f\u00fcr Germaniumdetektoren ist eine Funktion der Energie.\u00a0F\u00fcr ein 1,3-MeV-Photon betr\u00e4gt die FWHM 2,1 keV, was sehr niedrig ist.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<p>&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;&#8230;.<\/p>\n<p>Dieser Artikel basiert auf der maschinellen \u00dcbersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie k\u00f6nnen uns helfen. Wenn Sie die \u00dcbersetzung korrigieren m\u00f6chten, senden Sie diese bitte an: translations@nuclear-power.com oder f\u00fcllen Sie das Online-\u00dcbersetzungsformular aus. Wir bedanken uns f\u00fcr Ihre Hilfe und werden die \u00dcbersetzung so schnell wie m\u00f6glich aktualisieren. Danke.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Halbleiterdetektoren aus Germanium werden am h\u00e4ufigsten dort eingesetzt, wo eine sehr gute Energieaufl\u00f6sung erforderlich ist, insbesondere f\u00fcr die Gammaspektroskopie sowie die R\u00f6ntgenspektroskopie. Germanium-basierte Halbleiterdetektoren HPGe-Detektor mit LN2-Kryostat Quelle: canberra.com Halbleiterdetektoren auf Germaniumbasis\u00a0werden am h\u00e4ufigsten dort eingesetzt, wo eine\u00a0sehr gute Energieaufl\u00f6sung\u00a0erforderlich ist, insbesondere f\u00fcr die\u00a0Gammaspektroskopiesowie R\u00f6ntgenspektroskopie.\u00a0In der Gammaspektroskopie wird Germanium bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel h\u00f6her &#8230; <a title=\"Was ist ein Halbleiterdetektor aus Germanium\" class=\"read-more\" href=\"https:\/\/www.radiation-dosimetry.org\/de\/was-ist-ein-halbleiterdetektor-auf-germanium-basis-definition\/\" aria-label=\"Mehr dazu unter Was ist ein Halbleiterdetektor aus Germanium\">Weiterlesen<\/a><\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":[],"categories":[48],"tags":[],"yoast_head":"<!-- This site is optimized with the Yoast SEO plugin v15.4 - https:\/\/yoast.com\/wordpress\/plugins\/seo\/ -->\n<title>Was ist ein Halbleiterdetektor aus Germanium - Definition<\/title>\n<meta name=\"description\" content=\"Halbleiterdetektoren aus Germanium werden am h\u00e4ufigsten dort eingesetzt, wo eine sehr gute Energieaufl\u00f6sung erforderlich ist, insbesondere f\u00fcr die Gammaspektroskopie sowie die R\u00f6ntgenspektroskopie. 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