¿Qué es el detector de semiconductores basado en germanio? – Definición

Los detectores de semiconductores basados ​​en germanio se usan con mayor frecuencia cuando se requiere una muy buena resolución de energía, especialmente para la espectroscopía gamma, así como la espectroscopía de rayos X. Dosimetría de radiación

Detectores de semiconductores basados ​​en germanio

Detector HPGe - Germanio
Detector HPGe con criostato LN2 Fuente: canberra.com

Los detectores de semiconductores basados ​​en germanio se usan más comúnmente cuando se requiere una muy buena resolución de energía , especialmente para la espectroscopía gamma, así como la espectroscopía de rayos x. En la espectroscopía gamma, se prefiere el germanio debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y que aumenta la probabilidad de interacción con los rayos gamma. Además, el germanio tiene una energía media más baja necesaria para crear un par de electrones, que es 3.6 eV para silicio y 2.9 eV para germanio. Esto también proporciona a este último una mejor resolución en energía. Un semiconductor de germanio grande, limpio y casi perfecto es ideal como contador de radiactividad. Sin embargo, es difícil y costoso hacer cristales grandes con suficiente pureza. Si bien los detectores basados ​​en silicio no pueden ser más gruesos que unos pocos milímetros, el germanio puede tener un espesor de centímetros agotado y sensible y, por lo tanto, puede usarse como un detector de absorción total para rayos gamma de hasta pocos MeV.

Por otro lado, para lograr la máxima eficiencia, los detectores deben funcionar a temperaturas muy bajas de nitrógeno líquido (-196 ° C), porque a temperaturas ambiente el ruido causado por la excitación térmica es muy alto.

Dado que los detectores de germanio producen la resolución más alta disponible en la actualidad, se utilizan para medir la radiación en una variedad de aplicaciones, incluido el monitoreo del personal y el medio ambiente para detectar contaminación radiactiva, aplicaciones médicas, ensayos radiométricos, seguridad nuclear y seguridad de plantas nucleares.

Detector de germanio – Principio de funcionamiento

El funcionamiento de los detectores de semiconductores se resume en los siguientes puntos:

  • La radiación ionizante ingresa al volumen sensible ( cristal de germanio ) del detector e interactúa con el material semiconductor.
  • El fotón de alta energía que pasa a través del detector ioniza los átomos de los semiconductores, produciendo los pares de electrones . El número de pares de electrones es proporcional a la energía de la radiación al semiconductor. Como resultado, se transfieren varios electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción, y se crea un número igual de agujeros en la banda de valencia.
  • Dado que el germanio puede tener un espesor de centímetros agotado y sensible, pueden absorber fotones de alta energía totalmente  (hasta pocos MeV).
  • Bajo la influencia de un campo eléctrico, los electrones y los agujeros viajan a los electrodos, donde producen un pulso que se puede medir en un circuito externo.
  • Este pulso lleva información sobre la energía de la radiación incidente original. El número de tales pulsos por unidad de tiempo también proporciona información sobre la intensidad de la radiación.

En todos los casos, un fotón deposita una parte de su energía a lo largo de su trayectoria y puede ser absorbido totalmente. La absorción total de un fotón de 1 MeV produce alrededor de 3 x 10 5 pares de electrones. Este valor es menor en comparación con el número total de portadores libres en un semiconductor intrínseco de 1 cm 3 . La partícula que pasa a través del detector ioniza los átomos del semiconductor, produciendo los pares de electrones. Pero en los detectores basados ​​en germanio a temperatura ambiente, la excitación térmica es dominante. Es causada por impurezas, irregularidades en la estructura reticular o por dopante . Depende mucho de la brecha E(una distancia entre la valencia y la banda de conducción), que es muy baja para germanio (Egap = 0,67 eV). Dado que la excitación térmica produce el ruido del detector, se requiere enfriamiento activo para algunos tipos de semiconductores (por ejemplo, germanio).

Germanio - semiconductorTenga en cuenta que una muestra de 1 cm 3 de germanio puro a 20 ° C contiene aproximadamente 4.2 × 10 22 átomos, pero también contiene aproximadamente 2.5 x 10 13 electrones libres y 2.5 x 10 13 agujeros generados constantemente por la energía térmica. Como se puede ver, la relación señal / ruido (S / N) sería mínima (compárela con 3 x 10 5 pares de electrones). La adición de 0.001% de arsénico (una impureza) dona un extra de 10 17electrones libres en el mismo volumen y la conductividad eléctrica se incrementa en un factor de 10,000. En material dopado, la relación señal / ruido (S / N) sería aún menor. Debido a que el germanio tiene un intervalo de banda relativamente bajo, estos detectores deben enfriarse para reducir la generación térmica de los portadores de carga (por lo tanto, invertir la corriente de fuga) a un nivel aceptable. De lo contrario, el ruido inducido por la corriente de fuga destruye la resolución energética del detector.

Unión sesgada inversa

El detector de semiconductores funciona mucho mejor como detector de radiación si se aplica un voltaje externo a través de la unión en la dirección de polarización inversa . La región de agotamiento funcionará como un detector de radiación. Se puede lograr una mejora mediante el uso de un voltaje de polarización inversa a la unión PNpara agotar el detector de portadores libres, que es el principio de la mayoría de los detectores de semiconductores. La polarización inversa de una unión aumenta el grosor de la región de agotamiento porque se mejora la diferencia de potencial a través de la unión. Los detectores de germanio tienen una estructura de clavijas en la que la región intrínseca (i) es sensible a la radiación ionizante, particularmente los rayos X y los rayos gamma. Bajo polarización inversa, un campo eléctrico se extiende a través de la región intrínseca o agotada. En este caso, se aplica voltaje negativo al lado p y positivo al segundo. Los agujeros en la región p son atraídos desde la unión hacia el contacto p y de manera similar para los electrones y el contacto n. Esta carga, que es proporcional a la energía depositada en el detector por el fotón entrante,

Ver también: detectores de germanio, MIRION Technologies. <disponible en: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

Aplicación de detectores de germanio – espectroscopía gamma

Como se escribió, el estudio y análisis de los espectros de rayos gamma para uso científico y técnico se llama espectroscopía gamma, y ​​los espectrómetros de rayos gamma son los instrumentos que observan y recopilan dichos datos. Un espectrómetro de rayos gamma (GRS) es un dispositivo sofisticado para medir la distribución de energía de la radiación gamma. Para la medición de rayos gamma por encima de varios cientos de keV, hay dos categorías de detectores de gran importancia,  centelleadores inorgánicos como NaI (Tl)  y  detectores de semiconductores.. En los artículos anteriores, describimos la espectroscopía gamma utilizando un detector de centelleo, que consiste en un cristal centelleador adecuado, un tubo fotomultiplicador y un circuito para medir la altura de los pulsos producidos por el fotomultiplicador. Las ventajas de un contador de centelleo son su eficiencia (gran tamaño y alta densidad) y las altas tasas de precisión y conteo que son posibles. Debido al alto número atómico de yodo, una gran cantidad de todas las interacciones dará como resultado la absorción completa de la energía de los rayos gamma, por lo que la fracción de la foto será alta.

Espectro del detector HPGe
Figura: Leyenda: Comparación de los espectros de NaI (Tl) y HPGe para cobalto-60. Fuente: Radioisótopos y Metodología de Radiación I, II. Soo Hyun Byun, Notas de la conferencia. Universidad McMaster, Canadá.

Pero si  se requiere una  resolución energética perfecta , tenemos que usar  un detector basado en germanio , como el  detector HPGe . Los detectores de semiconductores basados ​​en germanio se usan más comúnmente cuando se requiere una muy buena resolución de energía, especialmente para  la espectroscopía gamma , así como  la espectroscopía de rayos X. En la espectroscopía gamma, se prefiere el germanio debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y que aumenta la probabilidad de interacción con los rayos gamma. Además, el germanio tiene una energía promedio menor necesaria para crear un par de electrones, que es 3.6 eV para silicio y 2.9 eV para germanio. Esto también proporciona a este último una mejor resolución en energía. El FWHM (ancho completo a la mitad máximo) para detectores de germanio es una función de la energía. Para un fotón de 1.3 MeV, el FWHM es 2.1 keV, que es muy bajo.

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