¿Qué es la excitación por radiación ionizante? Definición

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 del estado sólido, este intervalo de energía o intervalo de banda es un rango de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción donde los estados de electrones 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.

Excitación por radiación ionizante

La energía para la excitación se puede obtener de diferentes maneras. Los electrones pueden alcanzar la banda de conducción, cuando son excitados por la radiación ionizante (es decir, deben obtener energía más alta que Egap). En general, las partículas cargadas pesadas transfieren energía principalmente mediante:

• Excitación. La partícula cargada puede transferir energía al átomo, elevando los electrones a niveles de energía más altos.
• Ionización La ionización puede ocurrir cuando la partícula cargada tiene suficiente energía para eliminar un electrón. Esto da como resultado una creación de pares de iones en la materia circundante.

Una variable conveniente que describe las propiedades de ionización del medio circundante es el poder de detención . La expresión clásica que describe la pérdida de energía específica se conoce como la fórmula Bethe . Para las partículas alfa y las partículas más pesadas, el poder de detención de la mayoría de los materiales es muy alto para las partículas cargadas pesadas y estas partículas tienen rangos muy cortos.

Además de estas interacciones, las partículas beta también pierden energía por el proceso radiactivo conocido como bremsstrahlung . Según la teoría clásica, cuando una partícula cargada se acelera o desacelera, debe irradiar energía y la radiación de desaceleración se conoce como bremsstrahlung («radiación de frenado») .

Los fotones (rayos gamma y rayos X) pueden ionizar átomos directamente (a pesar de que son eléctricamente neutros) a través del efecto fotoeléctrico y el efecto Compton, pero la ionización secundaria (indirecta) es mucho más significativa. Aunque se conoce una gran cantidad de posibles interacciones, existen tres mecanismos de interacción clave con la materia.

• Efecto fotoeléctrico
• Dispersión de Compton
• Producción en pareja

En todos los casos, una partícula de radiación ionizante deposita una parte de su energía a lo largo de su trayectoria. La partícula que pasa a través del detector ioniza los átomos del semiconductor, produciendo los pares de electrones . Por ejemplo, el espesor típico del detector de silicio es de aproximadamente 300 µm, por lo que el número de pares de electrones generados por partículas ionizantes mínimas (MIP) que pasan perpendicularmente a través del detector es aproximadamente 3.2 x 10 ⁴ . Este valor es menor en comparación con el número total de portadores libres en semiconductores intrínsecos de una superficie de 1 cm ² y el mismo grosor. Tenga en cuenta que una muestra de germanio puro a 20 ° C contiene aproximadamente 1.26 × 10 ²¹ átomos, pero también contiene 7.5 x 10 ¹¹electrones libres y 7.5 x 10 ¹¹ agujeros generados constantemente a partir de energía térmica . Como se puede ver, la relación señal / ruido (S / N) sería mínima. La adición de 0.001% de arsénico (una impureza) dona 10 ¹⁵ electrones libres adicionales en el mismo volumen y la conductividad eléctrica aumenta en un factor de 10,000. En material dopado, la relación señal / ruido (S / N) sería aún menor. El enfriamiento del semiconductor es una forma de reducir esta relación.

Se puede lograr una mejora mediante el uso de un voltaje de polarización inversa a la unión PN para agotar el detector de portadores libres, que es el principio de la mayoría de los detectores de radiación de silicio. 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.