¿Qué es el detector de semiconductores? Definición

Un detector de semiconductores es un detector de radiación que se basa en un semiconductor , como el silicio o el germanio, para medir el efecto de partículas o fotones cargados incidentes. En general, los semiconductores son materiales, inorgánicos u orgánicos, que tienen la capacidad de controlar su conducción dependiendo de la estructura química, la temperatura, la iluminación y la presencia de dopantes. El nombre semiconductor proviene del hecho de que estos materiales tienen una conductividad eléctrica entre la de un metal, como cobre, oro, etc. y un aislante, como el vidrio. Tienen una brecha de energía inferior a 4eV (aproximadamente 1eV). En física de estado sólido, esta brecha de energía o brecha de banda es un rango de energía entrebanda de valencia y banda de conducción donde los estados electrónicos están prohibidos. A diferencia de los conductores, los electrones en un semiconductor deben obtener energía (por ejemplo, de la radiación ionizante ) para atravesar el intervalo de banda y alcanzar la banda de conducción.

Los detectores de semiconductores son muy similares en operación a los paneles fotovoltaicos que generan corriente eléctrica. De manera similar, se puede inducir una corriente por radiación ionizante. Cuando la radiación ionizante ingresa al semiconductor, interactúa con el material semiconductor. Puede excitar a un electrón fuera de su nivel de energía y, en consecuencia, dejar un agujero. Este proceso se conoce como generación de pares electrón-agujero . En los detectores de semiconductores, los portadores de información fundamentales son estos pares de agujeros de electrones, que se producen a lo largo del camino tomado por la partícula cargada (primaria o secundaria) a través del detector. Al recopilar pares de electrones, la señal de detección se forma y registra.

Los detectores de semiconductores se utilizan ampliamente en la protección contra la radiación , el ensayo de materiales radiactivos y la investigación física porque tienen algunas características únicas, se pueden fabricar de forma económica pero con buena eficiencia, y pueden medir tanto la intensidad como la energía de la radiación incidente. Estos detectores se emplean para medir la energía de la radiación y para la identificación de partículas. De los materiales semiconductores disponibles, el silicio se usa principalmente para detectores de partículas cargadas (especialmente para rastrear partículas cargadas) y detectores de rayos X blandos, mientras que el germanio se usa ampliamente para la espectroscopía de rayos gamma . Un semiconductor grande, limpio y casi perfecto es ideal como contador pararadiactividad . Sin embargo, es difícil hacer cristales grandes con suficiente pureza. Los detectores de semiconductores tienen, por lo tanto, baja eficiencia, pero dan una medida muy precisa de la energía. Los detectores de semiconductores, especialmente los detectores basados ​​en germanio , se usan con mayor frecuencia cuando se requiere una muy buena resolución de energía. Para lograr la máxima eficiencia, los detectores deben funcionar a temperaturas muy bajas de nitrógeno líquido (-196 ° C) . Por lo tanto, el inconveniente es que los detectores de semiconductores son mucho más caros que otros detectores y requieren un enfriamiento sofisticado para reducir las corrientes de fuga (ruido).

Principio de funcionamiento de detectores de semiconductores  

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

• La radiación ionizante ingresa al volumen sensible del detector e interactúa con el material semiconductor.
• La partícula que pasa a través del detector ioniza los átomos del semiconductor, 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.
• 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.

La energía requerida para producir pares de electrones es muy baja en comparación con la energía requerida para producir iones emparejados en un detector de ionización gaseosa . En los detectores de semiconductores, la variación estadística de la altura del pulso es menor y la resolución de la energía es mayor. Como los electrones viajan rápido, la resolución de tiempo también es muy buena. En comparación con los detectores de ionización gaseosa, la densidad de un detector de semiconductores es muy alta, y las partículas cargadas de alta energía pueden emitir su energía en un semiconductor de dimensiones relativamente pequeñas.

Detectores de semiconductores a base de silicio

Los detectores de semiconductores a base de silicio se usan principalmente para detectores de partículas cargadas (especialmente para rastrear partículas cargadas ) y detectores de rayos X blandos, mientras que el germanio se usa ampliamente para la espectroscopía de rayos gamma. Un semiconductor grande, limpio y casi perfecto es ideal como contador de radiactividad . Sin embargo, es difícil hacer cristales grandes con suficiente pureza. Los detectores de semiconductores tienen, por lo tanto, baja eficiencia, pero dan una medida muy precisa de la energía. Los detectores basados ​​en silicio tienen un ruido suficientemente bajo incluso a temperatura ambiente. Esto es causado por la gran brecha de bandade silicio (Egap = 1.12 eV), que nos permite operar el detector a temperatura ambiente, pero se prefiere enfriar para reducir el ruido. El inconveniente es que los detectores de silicio son mucho más caros que las cámaras de niebla o cámaras de cables y requieren un enfriamiento sofisticado para reducir las corrientes de fuga (ruido). También sufren degradación con el tiempo por la radiación, sin embargo, esto se puede reducir en gran medida gracias al efecto Lázaro.

Aplicación de detectores de silicio

Dado que los detectores basados ​​en silicio son muy buenos para rastrear partículas cargadas, constituyen una parte sustancial del sistema de detección en el LHC en el CERN. La mayoría de los detectores de partículas de silicio funcionan, en principio, dopando tiras de silicio estrechas (generalmente de alrededor de 100 micrómetros de ancho) para convertirlas en diodos, que luego se polarizan inversamente. A medida que las partículas cargadas pasan a través de estas tiras, causan pequeñas corrientes de ionización que se pueden detectar y medir. Organizar miles de estos detectores alrededor de un punto de colisión en un acelerador de partículas puede proporcionar una imagen precisa de los caminos que toman las partículas. Por ejemplo, el Sistema de seguimiento interno (ITS) de un gran experimento de colisionador de iones (ALICE) contiene tres capas de detectores basados ​​en silicio:

• Detector de píxeles de silicio (SPD)
• Detector de deriva de silicio (SDD)
• Detector de tiras de silicio (SSD)

Detectores de tiras de silicio

Los detectores a base de silicio son muy buenos para rastrear partículas cargadas. Un detector de tiras de silicio es una disposición de implantes en forma de tiras que actúan como electrodos de recogida de carga.

Los detectores de tiras de silicio de 5 x 5 cm ² de área son bastante comunes y se usan en serie (al igual que los planos de MWPC)) para determinar las trayectorias de partículas cargadas a precisiones de posición del orden de varios μm en la dirección transversal. Colocados en una oblea de silicio completamente empobrecida y dopada, estos implantes forman una matriz unidimensional de diodos. Al conectar cada una de las tiras metalizadas a un amplificador sensible a la carga, se construye un detector sensible a la posición. Se pueden lograr mediciones de posición bidimensionales aplicando una tira adicional como dopaje en la parte posterior de la oblea mediante el uso de una tecnología de doble cara. Dichos dispositivos se pueden usar para medir pequeños parámetros de impacto y, por lo tanto, determinar si alguna partícula cargada se originó a partir de una colisión primaria o si fue el producto de descomposición de una partícula primaria que viajó una pequeña distancia desde la interacción original y luego se descompuso.

Los detectores de tiras de silicio constituyen una parte sustancial del sistema de detección en el LHC en el CERN. La mayoría de los detectores de partículas de silicio funcionan, en principio, al dopar tiras de silicio estrechas (generalmente de alrededor de 100 micrómetros de ancho) para convertirlas en diodos, que luego se polarizan inversamente. A medida que las partículas cargadas pasan a través de estas tiras, causan pequeñas corrientes de ionización que se pueden detectar y medir. Organizar miles de estos detectores alrededor de un punto de colisión en un acelerador de partículas puede proporcionar una imagen precisa de los caminos que toman las partículas.

Por ejemplo, el Sistema de seguimiento interno (ITS) de un gran experimento de colisionador de iones (ALICE) contiene tres capas de detectores basados ​​en silicio:

• Detector de píxeles de silicio (SPD)
• Detector de deriva de silicio (SDD)
• Detector de tiras de silicio (SSD)

Delta E – Detector E – Telescopio

En física experimental, los detectores ΔE-E , conocidos como telescopios , son dispositivos potentes para la identificación de partículas cargadas . Para proporcionar una identificación de partículas cargadas, se pueden utilizar telescopios que consisten en pares de detectores de barrera de superficie delgada y gruesa . Estos detectores deben colocarse en serie. La velocidad se deduce de la potencia de frenado medida en los detectores delgados ( detectores ΔE ). Existe una fuerte correlación entre la energía depositada en cada detector. Esta correlación depende de la masa (A), la carga (Z) y la energía cinética (E) de cada partícula. La masa se deduce del rango o de la pérdida total de energía cinética en el detector más grueso (E detector ).

Los telescopios pueden estar compuestos por varios detectores ( cámaras de ionización , detectores de silicio y centelleadores, por ejemplo) apilados para ralentizar las partículas cargadas incidentes, siendo el primer detector el más delgado y el último el más grueso. Los contadores de centelleo CsI pueden usarse, por ejemplo, como contadores E finales. Como ejemplo de telescopio, se puede usar un conjunto basado en dos detectores de silicio ΔE frontales (10 o 30 µm) y un contador de silicio E de 1500 µm de espesor para la detección de partículas cargadas de alta energía.

Detectores de semiconductores basados ​​en germanio

Los detectores de semiconductores a base de 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. 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 a base de 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 comúnmente disponible en la actualidad, se utilizan para medir la radiación en una variedad de aplicaciones, incluido el monitoreo personal y ambiental de contaminación radiactiva, aplicaciones médicas, ensayos radiométricos, seguridad nuclear y seguridad de plantas nucleares.

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.

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.