Quel est le principe de fonctionnement des détecteurs HPGe – Définition

Les détecteurs au germanium de haute pureté ( détecteurs HPGe ) sont la meilleure solution pour une spectroscopie gamma et aux rayons X précise . Par rapport aux détecteurs au silicium , le germanium est beaucoup plus efficace que le silicium pour la détection des radiations en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et en raison de l’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. En raison de son numéro atomique plus élevé, Ge a un coefficient d’atténuation linéaire beaucoup plus important, ce qui conduit à un libre parcours moyen plus court. De plus, les détecteurs au silicium ne peuvent pas être plus épais que quelques millimètres, tandis que le germanium peut avoir unépaisseur sensible de quelques centimètres , et peut donc être utilisé comme détecteur d’absorption totale pour les rayons gamma jusqu’à quelques MeV.

Afin d’atteindre une efficacité maximale, les détecteurs HPGe 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.

Détecteur HPGe – Principe de fonctionnement

Le fonctionnement des détecteurs semi-conducteurs est résumé dans les points suivants:

• Le rayonnement ionisant pénètre dans le volume sensible ( cristal de germanium ) du détecteur et interagit avec le matériau semi-conducteur.
• Le photon de haute énergie traversant le détecteur ionise les atomes de semi-conducteur, produisant les paires électron-trou . Le nombre de paires électron-trou est proportionnel à l’énergie du rayonnement vers le semi-conducteur. En conséquence, un certain nombre d’électrons sont transférés de la bande de valence à la bande de conduction, et un nombre égal de trous sont créés dans la bande de valence.
• Comme le germanium peut avoir une épaisseur sensible et épuisée de quelques centimètres, il est capable d’ absorber totalement les photons de haute énergie  (jusqu’à quelques MeV).
• Sous l’influence d’un champ électrique, les électrons et les trous se déplacent vers les électrodes, où ils produisent une impulsion qui peut être mesurée dans un circuit extérieur.
• Cette impulsion transporte des informations sur l’énergie du rayonnement incident d’origine. Le nombre de ces impulsions par unité de temps donne également des informations sur l’intensité du rayonnement.

Dans tous les cas, un photon dépose une partie de son énergie sur son trajet et peut être totalement absorbé. 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 libres dans un semi-conducteur intrinsèque de 1 cm ³ . Les particules traversant le détecteur ionisent les atomes de semi-conducteur, produisant les paires électron-trou. Mais dans les détecteurs à base de germanium à température ambiante, l’ excitation thermique est dominante. Elle est causée par des impuretés, une irrégularité du réseau de structure ou par un dopant . Cela dépend fortement de l’ _écart E(distance entre la valence et la bande de conduction), ce qui est très faible pour le germanium (Egap = 0,67 eV). Étant donné que l’excitation thermique entraîne le bruit du détecteur, un refroidissement actif est nécessaire pour certains types de semi-conducteurs (par exemple le germanium).

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 générés en permanence à partir de l’énergie thermique. Comme on peut le voir, le rapport signal / bruit (S / N) serait minime (comparez-le avec 3 x 10 ⁵ paires électron-trou). 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.