Dosimétrie des rayonnements

En physique des semi-conducteurs, un donneur est un atome dopant (impureté) qui, ajouté à un semi-conducteur, peut former un semi-conducteur de type n . Le processus d’ajout d’impuretés contrôlées à un semi-conducteur est appelé dopage semi-conducteur . Ce processus change un semi-conducteur intrinsèque en un semi-conducteur extrinsèque . Pour les deux types d’atomes donneurs ou accepteurs, l’augmentation de la densité de dopants augmente la conductivité.

Semi-conducteurs de type n

Un semi-conducteur extrinsèque qui a été dopé avec des atomes donneurs d’électrons est appelé semi-conducteur de type n, car la majorité des porteurs de charge dans le cristal sont des électrons négatifs. Le silicium étant un élément tétravalent, la structure cristalline normale contient 4 liaisons covalentes de quatre électrons de valence. Dans le silicium, les dopants les plus courants sont les éléments du groupe III et du groupe V. Les éléments du groupe V (pentavalent) ont cinq électrons de valence, ce qui leur permet d’agir comme donneur. Cela signifie que l’ajout de ces impuretés pentavalentes telles que l’arsenic, l’antimoine ou le phosphore contribue aux électrons libres, augmentant considérablement la conductivité du semi-conducteur intrinsèque. Par exemple, un cristal de silicium dopé au bore (groupe III) crée un semi-conducteur de type p tandis qu’un cristal dopé au phosphore (groupe V) donne un semi-conducteur de type n.

Les électrons de conduction sont complètement dominés par le nombre d’ électrons donneurs . Donc:

Le nombre total d’électrons de conduction est approximativement égale au nombre de sites donneurs, n≈N _D .

La neutralité de charge du matériau semi-conducteur est maintenue car les sites donneurs excités équilibrent les électrons de conduction. Le résultat net est que le nombre d’électrons de conduction est augmenté, tandis que le nombre de trous est réduit. Le déséquilibre de la concentration de porteurs dans les bandes respectives est exprimé par le nombre absolu différent d’électrons et de trous. Les électrons sont des porteurs majoritaires, tandis que les trous sont des porteurs minoritaires dans un matériau de type n.

Niveau des donateurs

Du point de vue de l’ intervalle d’énergie , ces impuretés «créent» des niveaux d’énergie dans l’intervalle de bande proche de la bande de conduction de sorte que les électrons peuvent être facilement excités de ces niveaux dans la bande de conduction. Les électrons seraient les « porteurs majoritaires » du flux de courant dans un semi-conducteur de type n. Cela déplace le niveau de Fermi effectifà un point à mi-chemin entre les niveaux des donneurs et la bande de conduction. Le niveau de Fermi est le terme utilisé pour décrire le sommet de la collection de niveaux d’énergie électronique à une température zéro absolue. Le niveau de Fermi est la surface de la mer de Fermi au zéro absolu où aucun électron n’aura suffisamment d’énergie pour s’élever au-dessus de la surface. Dans les semi-conducteurs purs, la position du niveau de Fermi est dans la bande interdite, approximativement au milieu de la bande interdite.

En général, les semi – conducteurs sont des matériaux, inorganiques ou organiques, qui ont la capacité de contrôler leur conduction en fonction de la structure chimique, de la température, de l’illumination et de la présence de dopants. Le nom semi-conducteur vient du fait que ces matériaux ont une conductivité électrique entre celle d’un métal, comme le cuivre, l’or, etc. et un isolant, comme le verre. Ils ont un écart énergétique inférieur à 4eV (environ 1eV). En physique du solide, cet intervalle d’énergie ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conductionoù les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons d’un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir de rayonnements ionisants) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction. Les propriétés des semi – conducteurs sont déterminées par l’écart d’énergie entre les bandes de valence et de conduction.

La jonction PN – Jonction inversée

Le détecteur à semi-conducteur fonctionne beaucoup mieux en tant que détecteur de rayonnement si une tension externe est appliquée aux bornes de la jonction dans le sens de polarisation inverse . La région d’appauvrissement fonctionnera comme un détecteur de rayonnement. Une amélioration peut être obtenue en utilisant une tension de polarisation inverse à la jonction PN pour épuiser le détecteur de porteurs libres, ce qui est le principe de la plupart des détecteurs semi-conducteurs. La polarisation inverse d’une jonction augmente l’épaisseur de la région d’appauvrissement car la différence de potentiel à travers la jonction est améliorée. Les détecteurs au germanium ont une structure à brochesdans laquelle la région intrinsèque (i) est sensible aux rayonnements ionisants, en particulier aux rayons X et aux rayons gamma. Sous polarisation inverse, un champ électrique s’étend à travers la région intrinsèque ou appauvrie. Dans ce cas, une tension négative est appliquée du côté p et positive au second. Les trous dans la région p sont attirés par la jonction vers le contact p et de même pour les électrons et le contact n. Cette charge, qui est proportionnelle à l’énergie déposée dans le détecteur par le photon entrant, est convertie en impulsion de tension par un préamplificateur sensible à la charge intégré.

Voir aussi: Détecteurs au germanium, MIRION Technologies. <disponible sur: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

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Cet article est basé sur la traduction automatique de l’article original en anglais. Pour plus d’informations, voir l’article en anglais. Pouvez vous nous aider Si vous souhaitez corriger la traduction, envoyez-la à l’adresse: translations@nuclear-power.com ou remplissez le formulaire de traduction en ligne. Nous apprécions votre aide, nous mettrons à jour la traduction le plus rapidement possible. Merci

Un semi-conducteur extrinsèque , ou semi – conducteur dopé , est un semi-conducteur, qui a été intentionnellement dopé dans le but de moduler ses propriétés électriques, optiques et structurelles. Dans le cas des détecteurs semi-conducteurs de rayonnement ionisant, le dopage est l’introduction intentionnelle d’impuretés dans un semi-conducteur intrinsèque dans le but de modifier leurs propriétés électriques. Par conséquent, les semi-conducteurs intrinsèques sont également appelés semi-conducteurs purs ou semi-conducteurs de type i.

L’ajout d’un petit pourcentage d’atomes étrangers dans le réseau cristallin régulier de silicium ou de germanium produit des changements spectaculaires dans leurs propriétés électriques, car ces atomes étrangers incorporés dans la structure cristalline du semi-conducteur fournissent des porteurs de charge gratuits ( électrons ou trous d’électrons ) dans le semi-conducteur. Dans un semi-conducteur extrinsèque, ce sont ces atomes de dopant étrangers dans le réseau cristallin qui fournissent principalement les porteurs de charge qui transportent le courant électrique à travers le cristal. En général, il existe deux types d’atomes de dopant résultant en deux types de semi-conducteurs extrinsèques. Ces dopants qui produisent les changements contrôlés souhaités sont classés comme accepteurs d’électrons ou donneurs et les semi-conducteurs dopés correspondants sont appelés:

• Semi-conducteurs de type n. 
• Semi-conducteurs de type p.

Le nombre de porteurs de charge semi-conducteurs purs à une certaine température est déterminé par les propriétés du matériau lui-même au lieu de la quantité d’impuretés. Notez que, un échantillon de 1 cm ³ de germanium pur à 20 ° C contient environ 4,2 × 10 ²² atomes, mais contient également environ 2,5 x 10 ¹³ électrons libres et 2,5 x 10 ¹³ trous. Ces porteurs de charge sont produits par excitation thermique . Dans les semi-conducteurs intrinsèques, le nombre d’électrons excités et le nombre de trous sont égaux: n = p. Les électrons et les trous sont créés par l’excitation d’électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Un trou d’électrons (souvent simplement appelé trou) est le manque d’électrons à une position où l’on pourrait exister dans un atome ou un réseau atomique. Cette égalité peut même être le cas après dopage du semi-conducteur, mais seulement s’il est dopé à la fois avec les donneurs et les accepteurs. Dans ce cas, n = p est toujours valable et le semi-conducteur reste intrinsèque, bien que dopé. L’ajout de 0,001% d’arsenic (une impureté) donne un supplément de 10 ¹⁷des électrons libres dans le même volume et la conductivité électrique est augmentée d’un facteur 10 000. Dans un matériau dopé, le rapport signal / bruit (S / N) serait encore plus petit. Le germanium ayant une bande interdite relativement faible, ces détecteurs doivent être refroidis afin de réduire la génération thermique des porteurs de charge (donc le courant de fuite inverse) à un niveau acceptable. Sinon, le bruit induit par le courant de fuite détruit la résolution énergétique du détecteur.

Porteurs de charge dans les semi-conducteurs de type n

Dans le semi-conducteur de type n, les électrons de conduction sont complètement dominés par le nombre d’ électrons donneurs . Donc:

Le nombre total d’électrons de conduction est approximativement égale au nombre de sites donneurs, n≈N _D .

La neutralité de charge du matériau semi-conducteur est maintenue car les sites donneurs excités équilibrent les électrons de conduction. Le résultat net est que le nombre d’électrons de conduction est augmenté, tandis que le nombre de trous est réduit. Le déséquilibre de la concentration de porteurs dans les bandes respectives est exprimé par le nombre absolu différent d’électrons et de trous. Les électrons sont des porteurs majoritaires, tandis que les trous sont des porteurs minoritaires dans un matériau de type n.

Porteurs de charge dans les semi-conducteurs de type p

Dans le semi-conducteur de type p, le nombre de trous d’électrons est complètement dominé par le nombre de sites accepteurs. Par conséquent:

Le nombre total de trous est approximativement égale au nombre de sites donneurs, p ≈ N _A .

La neutralité de charge de ce matériau semi-conducteur est également maintenue. Le résultat net est que le nombre de trous d’électrons augmente, tandis que le nombre d’électrons de conduction est réduit. Le déséquilibre de la concentration de porteurs dans les bandes respectives est exprimé par le nombre absolu différent d’électrons et de trous. Les trous d’électrons sont des porteurs majoritaires , tandis que les électrons sont des porteurs minoritaires dans un matériau de type p.

Semi-conducteurs de type n

Un semi-conducteur extrinsèque qui a été dopé avec des atomes donneurs d’électrons est appelé semi-conducteur de type n, car la majorité des porteurs de charge dans le cristal sont des électrons négatifs. Le silicium étant un élément tétravalent, la structure cristalline normale contient 4 liaisons covalentes de quatre électrons de valence. Dans le silicium, les dopants les plus courants sont les éléments du groupe III et du groupe V. Les éléments du groupe V (pentavalent) ont cinq électrons de valence, ce qui leur permet d’agir comme donneur. Cela signifie que l’ajout de ces impuretés pentavalentes telles que l’arsenic, l’antimoine ou le phosphore contribue aux électrons libres, augmentant considérablement la conductivité du semi-conducteur intrinsèque. Par exemple, un cristal de silicium dopé au bore (groupe III) crée un semi-conducteur de type p tandis qu’un cristal dopé au phosphore (groupe V) donne un semi-conducteur de type n.

Les électrons de conduction sont complètement dominés par le nombre d’ électrons donneurs . Donc:

Le nombre total d’électrons de conduction est approximativement égale au nombre de sites donneurs, n≈N _D .

La neutralité de charge du matériau semi-conducteur est maintenue car les sites donneurs excités équilibrent les électrons de conduction. Le résultat net est que le nombre d’électrons de conduction est augmenté, tandis que le nombre de trous est réduit. Le déséquilibre de la concentration de porteurs dans les bandes respectives est exprimé par le nombre absolu différent d’électrons et de trous. Les électrons sont des porteurs majoritaires, tandis que les trous sont des porteurs minoritaires dans un matériau de type n.

Niveau des donateurs

Du  point de vue de l’ intervalle d’énergie , ces impuretés «créent» des niveaux d’énergie dans l’intervalle de bande proche de la bande de conduction de sorte que les électrons peuvent être facilement excités de ces niveaux dans la bande de conduction. Les électrons seraient les « porteurs majoritaires » du flux de courant dans un semi-conducteur de type n. Cela déplace le niveau de Fermi effectifà un point à mi-chemin entre les niveaux des donneurs et la bande de conduction. Le niveau de Fermi est le terme utilisé pour décrire le sommet de la collection de niveaux d’énergie électronique à une température zéro absolue. Le niveau de Fermi est la surface de la mer de Fermi au zéro absolu où aucun électron n’aura suffisamment d’énergie pour s’élever au-dessus de la surface. Dans les semi-conducteurs purs, la position du niveau de Fermi est dans la bande interdite, approximativement au milieu de la bande interdite.

En général, il existe deux types d’atomes de dopant résultant en deux types de semi-conducteurs extrinsèques. Ces dopants qui produisent les changements contrôlés souhaités sont classés comme accepteurs d’électrons ou donneurs et les semi-conducteurs dopés correspondants sont connus comme:

• Semi-conducteurs de type n.
• Semi-conducteurs de type p.

Les semi – conducteurs extrinsèques sont des composants de nombreux appareils électriques courants, ainsi que de nombreux détecteurs de rayonnement ionisant. À ces fins, une diode à semi-conducteur (dispositifs qui ne permettent le courant que dans une seule direction) est généralement constituée de semi-conducteurs de type p et de type n placés en jonction l’un avec l’autre.

Semi-conducteurs de type n

Un semi-conducteur extrinsèque qui a été dopé avec des atomes donneurs d’électrons est appelé semi-conducteur de type n, car la majorité des porteurs de charge dans le cristal sont des électrons négatifs. Le silicium étant un élément tétravalent, la structure cristalline normale contient 4 liaisons covalentes de quatre électrons de valence. Dans le silicium, les dopants les plus courants sont les éléments du groupe III et du groupe V. Les éléments du groupe V (pentavalent) ont cinq électrons de valence, ce qui leur permet d’agir comme donneur. Cela signifie que l’ajout de ces impuretés pentavalentes telles que l’arsenic, l’antimoine ou le phosphore contribue aux électrons libres, augmentant considérablement la conductivité du semi-conducteur intrinsèque. Par exemple, un cristal de silicium dopé au bore (groupe III) crée un semi-conducteur de type p tandis qu’un cristal dopé au phosphore (groupe V) donne un semi-conducteur de type n.

Les électrons de conduction sont complètement dominés par le nombre d’ électrons donneurs . Donc:

Le nombre total d’électrons de conduction est approximativement égale au nombre de sites donneurs, n≈N _D .

La neutralité de charge du matériau semi-conducteur est maintenue car les sites donneurs excités équilibrent les électrons de conduction. Le résultat net est que le nombre d’électrons de conduction est augmenté, tandis que le nombre de trous est réduit. Le déséquilibre de la concentration de porteurs dans les bandes respectives est exprimé par le nombre absolu différent d’électrons et de trous. Les électrons sont des porteurs majoritaires, tandis que les trous sont des porteurs minoritaires dans un matériau de type n.

Semi-conducteurs de type p

Un semi-conducteur extrinsèque qui a été dopé avec des atomes accepteurs d’électrons est appelé semi-conducteur de type p , car la majorité des porteurs de charge dans le cristal sont des trous d’électrons (porteurs de charge positifs). Le silicium semi-conducteur pur est un élément tétravalent , la structure cristalline normale contient 4 liaisons covalentes de quatre électrons de valence. Dans le silicium, les dopants les plus courants sont les éléments du groupe III et du groupe V. Les éléments du groupe III (trivalents) contiennent tous trois électrons de valence, ce qui les fait fonctionner comme des accepteurs lorsqu’ils sont utilisés pour doper le silicium. Lorsqu’un atome accepteur remplace un atome de silicium tétravalent dans le cristal, un état vacant (un trou d’électrons) est créé. Un trou d’électrons (souvent simplement appelé trou) est le manque d’électrons à une position où l’on pourrait exister dans un atome ou un réseau atomique. C’est l’un des deux types de porteurs de charge qui sont responsables de la création de courant électrique dans les matériaux semi-conducteurs. Ces trous chargés positivement peuvent se déplacer d’atome en atome dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leur position. L’ajout d’impuretés trivalentes telles que le bore , l’ aluminium ou le galliumà un semi-conducteur intrinsèque crée ces trous d’électrons positifs dans la structure. Par exemple, un cristal de silicium dopé au bore (groupe III) crée un semi-conducteur de type p tandis qu’un cristal dopé au phosphore (groupe V) produit un semi-conducteur de type n.

Le nombre de trous d’électrons est complètement dominé par le nombre de sites accepteurs. Donc:

Le nombre total de trous est approximativement égale au nombre de sites donneurs, p ≈ N _A .

La neutralité de charge de ce matériau semi-conducteur est également maintenue. Le résultat net est que le nombre de trous d’électrons augmente, tandis que le nombre d’électrons de conduction est réduit. Le déséquilibre de la concentration de porteurs dans les bandes respectives est exprimé par le nombre absolu différent d’électrons et de trous. Les trous d’électrons sont des porteurs majoritaires , tandis que les électrons sont des porteurs minoritaires dans un matériau de type p.

En général, les semi – conducteurs sont des matériaux, inorganiques ou organiques, qui ont la capacité de contrôler leur conduction en fonction de la structure chimique, de la température, de l’illumination et de la présence de dopants. Le nom semi-conducteur vient du fait que ces matériaux ont une conductivité électrique entre celle d’un métal, comme le cuivre, l’or, etc. et un isolant, comme le verre. Ils ont un écart énergétique inférieur à 4eV (environ 1eV). En physique du solide, cet intervalle d’énergie ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conductionoù les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons d’un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir de rayonnements ionisants) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction. Les propriétés des semi – conducteurs sont déterminées par l’écart d’énergie entre les bandes de valence et de conduction.

Semi-conducteurs extrinsèques – Semi-conducteurs dopés

Un semi-conducteur extrinsèque , ou semi – conducteur dopé , est un semi-conducteur, qui a été intentionnellement dopé dans le but de moduler ses propriétés électriques, optiques et structurelles. Dans le cas des détecteurs semi-conducteurs de rayonnement ionisant, le dopage est l’introduction intentionnelle d’impuretés dans un semi-conducteur intrinsèque dans le but de modifier leurs propriétés électriques. Par conséquent, les semi-conducteurs intrinsèques sont également appelés semi-conducteurs purs ou semi-conducteurs de type i.

L’ajout d’un petit pourcentage d’atomes étrangers dans le réseau cristallin régulier de silicium ou de germanium produit des changements spectaculaires dans leurs propriétés électriques, car ces atomes étrangers incorporés dans la structure cristalline du semi-conducteur fournissent des porteurs de charge gratuits (électrons ou trous d’électrons) dans le semi-conducteur. Dans un semi-conducteur extrinsèque, ce sont ces atomes de dopant étrangers dans le réseau cristallin qui fournissent principalement les porteurs de charge qui transportent le courant électrique à travers le cristal. En général, il existe deux types d’atomes de dopant résultant en deux types de semi-conducteurs extrinsèques. Ces dopants qui produisent les changements contrôlés souhaités sont classés comme accepteurs d’électrons ou donneurs et les semi-conducteurs dopés correspondants sont appelés:

• Semi-conducteurs de type n.
• Semi-conducteurs de type p.

Les semi – conducteurs extrinsèques sont des composants de nombreux appareils électriques courants, ainsi que de nombreux détecteurs de rayonnement ionisant. À ces fins, une diode à semi-conducteur (dispositifs qui ne permettent le courant que dans une seule direction) est généralement constituée de semi-conducteurs de type p et de type n placés en jonction l’un avec l’autre.

Semi-conducteurs de type n

Un semi-conducteur extrinsèque qui a été dopé avec des atomes donneurs d’électrons est appelé semi-conducteur de type n, car la majorité des porteurs de charge dans le cristal sont des électrons négatifs. Le silicium étant un élément tétravalent, la structure cristalline normale contient 4 liaisons covalentes de quatre électrons de valence. Dans le silicium, les dopants les plus courants sont les éléments du groupe III et du groupe V. Les éléments du groupe V (pentavalent) ont cinq électrons de valence, ce qui leur permet d’agir comme donneur. Cela signifie que l’ajout de ces impuretés pentavalentes telles que l’arsenic, l’antimoine ou le phosphore contribue aux électrons libres, augmentant considérablement la conductivité du semi-conducteur intrinsèque. Par exemple, un cristal de silicium dopé au bore (groupe III) crée un semi-conducteur de type p tandis qu’un cristal dopé au phosphore (groupe V) donne un semi-conducteur de type n.

Les électrons de conduction sont complètement dominés par le nombre d’ électrons donneurs . Donc:

Le nombre total d’électrons de conduction est approximativement égale au nombre de sites donneurs, n≈N _D .

La neutralité de charge du matériau semi-conducteur est maintenue car les sites donneurs excités équilibrent les électrons de conduction. Le résultat net est que le nombre d’électrons de conduction est augmenté, tandis que le nombre de trous est réduit. Le déséquilibre de la concentration de porteurs dans les bandes respectives est exprimé par le nombre absolu différent d’électrons et de trous. Les électrons sont des porteurs majoritaires, tandis que les trous sont des porteurs minoritaires dans un matériau de type n.

Semi-conducteurs de type p

Un semi-conducteur extrinsèque qui a été dopé avec des atomes accepteurs d’électrons est appelé semi-conducteur de type p , car la majorité des porteurs de charge dans le cristal sont des trous d’électrons (porteurs de charge positifs). Le silicium semi-conducteur pur est un élément tétravalent , la structure cristalline normale contient 4 liaisons covalentes de quatre électrons de valence. Dans le silicium, les dopants les plus courants sont les éléments du groupe III et du groupe V. Les éléments du groupe III (trivalents) contiennent tous trois électrons de valence, ce qui les fait fonctionner comme des accepteurs lorsqu’ils sont utilisés pour doper le silicium. Lorsqu’un atome accepteur remplace un atome de silicium tétravalent dans le cristal, un état vacant (un trou d’électrons) est créé. Un trou d’électrons (souvent simplement appelé trou) est le manque d’électrons à une position où l’on pourrait exister dans un atome ou un réseau atomique. C’est l’un des deux types de porteurs de charge qui sont responsables de la création de courant électrique dans les matériaux semi-conducteurs. Ces trous chargés positivement peuvent se déplacer d’atome en atome dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leur position. L’ajout d’impuretés trivalentes telles que le bore , l’ aluminium ou le galliumà un semi-conducteur intrinsèque crée ces trous d’électrons positifs dans la structure. Par exemple, un cristal de silicium dopé au bore (groupe III) crée un semi-conducteur de type p tandis qu’un cristal dopé au phosphore (groupe V) donne un semi-conducteur de type n.

Le nombre de trous d’électrons est entièrement dominé par le nombre de sites accepteurs. Par conséquent:

Le nombre total de trous est approximativement égale au nombre de sites donneurs, p ≈ N _A .

La neutralité de charge de ce matériau semi-conducteur est également maintenue. Le résultat net est que le nombre de trous d’électrons augmente, tandis que le nombre d’électrons de conduction est réduit. Le déséquilibre de la concentration de porteurs dans les bandes respectives est exprimé par le nombre absolu différent d’électrons et de trous. Les trous d’électrons sont des porteurs majoritaires , tandis que les électrons sont des porteurs minoritaires dans un matériau de type p.

La jonction PN – Jonction biaisée inversée

Le détecteur à semi-conducteur fonctionne beaucoup mieux en tant que détecteur de rayonnement si une tension externe est appliquée aux bornes de la jonction dans le sens de polarisation inverse . La région d’appauvrissement fonctionnera comme un détecteur de rayonnement. Une amélioration peut être obtenue en utilisant une tension de polarisation inverse à la jonction PN pour épuiser le détecteur de porteurs libres, qui est le principe de la plupart des détecteurs semi-conducteurs. La polarisation inverse d’une jonction augmente l’épaisseur de la région d’appauvrissement car la différence de potentiel à travers la jonction est améliorée. Les détecteurs au germanium ont une structure à brochesdans laquelle la région intrinsèque (i) est sensible aux rayonnements ionisants, en particulier aux rayons X et aux rayons gamma. Sous polarisation inverse, un champ électrique s’étend à travers la région intrinsèque ou appauvrie. Dans ce cas, une tension négative est appliquée du côté p et positive au second. Les trous dans la région p sont attirés par la jonction vers le contact p et de même pour les électrons et le contact n. Cette charge, qui est proportionnelle à l’énergie déposée dans le détecteur par le photon entrant, est convertie en impulsion de tension par un préamplificateur sensible à la charge intégré.

Voir aussi: Détecteurs au germanium, MIRION Technologies. <disponible sur: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

En général, les semi – conducteurs sont des matériaux, inorganiques ou organiques, qui ont la capacité de contrôler leur conduction en fonction de la structure chimique, de la température, de l’illumination et de la présence de dopants. Le nom semi-conducteur vient du fait que ces matériaux ont une conductivité électrique entre celle d’un métal, comme le cuivre, l’or, etc. et un isolant, comme le verre. Ils ont un écart énergétique inférieur à 4eV (environ 1eV). En physique du solide, cet intervalle d’énergie ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conductionoù les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons d’un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir de rayonnements ionisants) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction. Les propriétés des semi – conducteurs sont déterminées par l’écart d’énergie entre les bandes de valence et de conduction.

Semi-conducteur intrinsèque – Semi-conducteur pur

Un semi – conducteur intrinsèque est un semi – conducteur complètement pur sans aucune espèce de dopant significative présente. Par conséquent, les semi-conducteurs intrinsèques sont également appelés semi-conducteurs purs ou semi-conducteurs de type i.

Le nombre de porteurs de charge à une certaine température est donc déterminé par les propriétés du matériau lui-même au lieu de la quantité d’impuretés. Notez que, un échantillon de 1 cm ³ de germanium pur à 20 ° C contient environ 4,2 × 10 ²² atomes, mais contient également environ 2,5 x 10 ¹³ électrons libres et 2,5 x 10 ¹³ trous. Ces porteurs de charge sont produits par excitation thermique. Dans les semi-conducteurs intrinsèques, le nombre d’électrons excités et le nombre de trous sont égaux: n = p . Les électrons et les trous sont créés par l’excitation d’électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Un trou d’électrons(souvent simplement appelé trou) est le manque d’électrons à une position où l’on pourrait exister dans un atome ou un réseau atomique. Cette égalité peut même être le cas après dopage du semi-conducteur, mais seulement s’il est dopé à la fois avec les donateurs et les accepteurs. Dans ce cas, n = p est toujours valable et le semi-conducteur reste intrinsèque, bien que dopé.

Les semi-conducteurs ont un écart d’énergie inférieur à 4eV (environ 1eV). Les bandes interdites sont naturellement différentes pour différents matériaux. Par exemple, le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite (Egap = 5,47 eV) à fort potentiel comme matériau de dispositif électronique dans de nombreux dispositifs. De l’autre côté, le germanium a une petite énergie de bande interdite (E _gap = 0,67 eV), ce qui nécessite de faire fonctionner le détecteur à des températures cryogéniques. En physique du solide, cet intervalle d’énergie ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction où les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons d’un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir de rayonnements ionisants) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction.

Les semi-conducteurs intrinsèques, cependant, ne sont pas très utiles, car ils ne sont ni de très bons isolants ni de très bons conducteurs. Cependant, une caractéristique importante des semi-conducteurs est que leur conductivité peut être augmentée et contrôlée par dopage avec des impuretés et déclenchement avec des champs électriques. Rappelons qu’un échantillon de 1 cm ³ de germanium pur à 20 ° C contient environ 4,2 × 10 ²² atomes, mais contient également environ 2,5 x 10 ¹³ électrons libres et 2,5 x 10 ¹³ trous générés en permanence à partir de l’énergie thermique. L’ absorption totale d’un photon 1 MeV produit environ 3 x 10 ⁵ paires électron-trou . Cette valeur est mineure par rapport au nombre total de porteurs gratuits dans un 1 cm ³semi-conducteur intrinsèque. Comme on peut le voir, le rapport signal / bruit (S / N) serait minime. L’ajout de 0,001% d’arsenic (une impureté) donne 10 ¹⁷ électrons libres supplémentaires dans le même volume et la conductivité électrique est augmentée d’un facteur 10 000. Dans un matériau dopé, le rapport signal / bruit (S / N) serait encore plus petit. Le germanium ayant une bande interdite relativement faible, ces détecteurs doivent être refroidis afin de réduire la génération thermique des porteurs de charge à un niveau acceptable. Sinon, le bruit induit par le courant de fuite détruit la résolution énergétique du détecteur. Le dopage et le déclenchement rapprochent la bande de conduction ou de valence beaucoup plus près du niveau de Fermi et augmentent considérablement le nombre d’états partiellement remplis.

En général, les semi – conducteurs sont des matériaux, inorganiques ou organiques, qui ont la capacité de contrôler leur conduction en fonction de la structure chimique, de la température, de l’illumination et de la présence de dopants. Le nom semi-conducteur vient du fait que ces matériaux ont une conductivité électrique entre celle d’un métal, comme le cuivre, l’or, etc. et un isolant, comme le verre. Ils ont un écart énergétique inférieur à 4eV (environ 1eV). En physique du solide, cet intervalle d’énergie ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conductionoù les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons d’un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir de rayonnements ionisants) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction. Les propriétés des semi – conducteurs sont déterminées par l’écart d’énergie entre les bandes de valence et de conduction.

CdTe et CdZnTe en tant que semi-conducteur

Le tellurure de cadmium (CdTe) et le tellurure de cadmium zinc (CdZnTe) ont été considérés comme des matériaux semi-conducteurs prometteurs pour la détection des rayons X durs et des rayons gamma. Le nombre atomique élevé et la densité élevée de ces matériaux permettent d’atténuer efficacement les rayons X et les rayons gamma avec des énergies supérieures à 20 keV que les capteurs traditionnels à base de silicium sont incapables de détecter. Cela augmente considérablement leur efficacité quantique par rapport à celle à base de silicium. La grande énergie de bande interdite (Egap = 1,44 eV) nous permet de faire fonctionner le détecteur à température ambiante. D’un autre côté, une perte de charge considérable dans ces détecteurs produit une résolution d’énergie réduite.

En général, les semi – conducteurs sont des matériaux, inorganiques ou organiques, qui ont la capacité de contrôler leur conduction en fonction de la structure chimique, de la température, de l’illumination et de la présence de dopants. Le nom semi-conducteur vient du fait que ces matériaux ont une conductivité électrique entre celle d’un métal, comme le cuivre, l’or, etc. et un isolant, comme le verre. Ils ont un écart énergétique inférieur à 4eV (environ 1eV). En physique du solide, cet intervalle d’énergie ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conductionoù les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons d’un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir de rayonnements ionisants) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction. Les propriétés des semi – conducteurs sont déterminées par l’écart d’énergie entre les bandes de valence et de conduction.

Le diamant comme semi-conducteur

Le diamant est une forme solide de l’élément carbone avec ses atomes disposés dans une structure cristalline appelée diamant cubique. Les diamants sont également de très bons isolants électriques, ce qui est étrangement à la fois utile et problématique pour les appareils électriques. Le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite (Egap = 5,47 eV) à fort potentiel comme matériau de dispositif électronique dans de nombreux dispositifs. Les détecteurs au diamant présentent de nombreuses similitudes avec les détecteurs au silicium, mais devraient offrir des avantages importants, en particulier une dureté de rayonnement élevée et des courants de dérive très faibles.

En général, les semi – conducteurs sont des matériaux, inorganiques ou organiques, qui ont la capacité de contrôler leur conduction en fonction de la structure chimique, de la température, de l’illumination et de la présence de dopants. Le nom semi-conducteur vient du fait que ces matériaux ont une conductivité électrique entre celle d’un métal, comme le cuivre, l’or, etc. et un isolant, comme le verre. Ils ont un écart énergétique inférieur à 4eV (environ 1eV). En physique du solide, cet intervalle d’énergie ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conductionoù les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons d’un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir de rayonnements ionisants) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction. Les propriétés des semi – conducteurs sont déterminées par l’écart d’énergie entre les bandes de valence et de conduction.

Le germanium comme semi-conducteur

Le germanium est un élément chimique de numéro atomique 32, ce qui signifie qu’il y a 32 protons et 32 ​​électrons dans la structure atomique. Le symbole chimique du germanium est Ge . Le germanium est un métalloïde lustré, dur, blanc grisâtre dans le groupe du carbone, chimiquement similaire à son groupe voisin de l’étain et du silicium. Le germanium pur est un semi-conducteur d’aspect similaire au silicium élémentaire. Le germanium est largement utilisé pour la spectroscopie des rayons gamma . En spectroscopie gamma, le germanium est préféré en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et qui augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma. Le germanium est plus utilisé que le silicium pour la détection des radiations car l’énergie moyenne nécessaire pour créer unla paire électron-trou est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium, ce qui offre à ce dernier une meilleure résolution en énergie. En revanche, le germanium a une petite énergie de bande interdite (E _gap = 0,67 eV), ce qui nécessite de faire fonctionner le détecteur à des températures cryogéniques.

Détecteurs à semi-conducteurs à base de germanium

Les détecteurs à semi-conducteurs à base de germanium sont les plus couramment utilisés lorsqu’une très bonne résolution énergétique est requise, en particulier pour la spectroscopie gamma, ainsi que la spectroscopie aux rayons X. En spectroscopie gamma, le germanium est préféré en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et qui augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma. De plus, le germanium a une énergie moyenne inférieure nécessaire pour créer une paire électron-trou, qui est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium. Cela donne également à ce dernier une meilleure résolution en énergie. Un semi-conducteur en germanium grand, propre et presque parfait est idéal comme compteur pour la radioactivité. Cependant, il est difficile et coûteux de fabriquer de gros cristaux avec une pureté suffisante. Alors que les détecteurs à base de silicium ne peuvent pas être plus épais que quelques millimètres, le germanium peut avoir une épaisseur sensible et épuisée de quelques centimètres, et peut donc être utilisé comme détecteur d’absorption totale pour les rayons gamma jusqu’à quelques MeV.

En revanche, pour atteindre une efficacité maximale, les détecteurs doivent fonctionner aux très basses températures de l’azote liquide (-196 ° C), car à température ambiante le bruit provoqué par l’excitation thermique est très élevé.

Étant donné que les détecteurs au germanium produisent la résolution la plus élevée actuellement disponible, ils sont utilisés pour mesurer le rayonnement dans une variété d’applications, y compris la surveillance du personnel et de l’environnement pour la contamination radioactive, les applications médicales, les tests radiométriques, la sécurité nucléaire et la sécurité des centrales nucléaires.