Qu’est-ce que le détecteur de semi-conducteur – Définition

Un détecteur à semi-conducteur est un détecteur de rayonnement qui est basé sur un semi – conducteur , tel que le silicium ou le germanium pour mesurer l’effet des particules chargées ou des photons chargés. 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 écart d’énergie ou bande interdite est une plage d’énergie entrebande de valence et 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 détecteurs à semi-conducteurs fonctionnent de manière très similaire aux panneaux photovoltaïques qui génèrent du courant électrique. De la même manière, un courant peut être induit par un rayonnement ionisant. Lorsque le rayonnement ionisant pénètre dans le semi-conducteur, il interagit avec le matériau semi-conducteur. Il peut exciter un électron hors de son niveau d’énergie et par conséquent laisser un trou. Ce processus est connu sous le nom de génération de paires électron-trou . Dans les détecteurs à semi-conducteur, les supports d’informations fondamentaux sont ces paires électron-trou, qui sont produites le long du chemin emprunté par la particule chargée (primaire ou secondaire) à travers le détecteur. En collectant des paires électron-trou, le signal de détection est formé et enregistré.

Les détecteurs à semi-conducteur sont largement utilisés dans la radioprotection , le dosage des matériaux radioactifs et la recherche en physique car ils ont des caractéristiques uniques, peuvent être fabriqués à peu de frais mais avec une bonne efficacité, et peuvent mesurer à la fois l’intensité et l’énergie du rayonnement incident. Ces détecteurs sont utilisés pour mesurer l’énergie du rayonnement et pour l’identification des particules. Parmi les matériaux semi-conducteurs disponibles, le silicium est principalement utilisé pour les détecteurs de particules chargées (en particulier pour le suivi des particules chargées) et les détecteurs de rayons X mous, tandis que le germanium est largement utilisé pour la spectroscopie des rayons gamma . Un semi-conducteur grand, propre et presque parfait est idéal comme compteur pourradioactivité . Cependant, il est difficile de fabriquer de gros cristaux avec une pureté suffisante. Les détecteurs à semi-conducteurs ont donc une faible efficacité, mais ils donnent une mesure très précise de l’énergie. Les détecteurs à semi-conducteurs, en particulier les détecteurs à base de germanium , sont les plus couramment utilisés lorsqu’une très bonne résolution énergétique est requise. Afin d’atteindre une efficacité maximale, les détecteurs doivent fonctionner aux très basses températures de l’azote liquide (-196 ° C) . Par conséquent, l’inconvénient est que les détecteurs à semi-conducteur sont beaucoup plus chers que les autres détecteurs et nécessitent un refroidissement sophistiqué pour réduire les courants de fuite (bruit).

Principe de fonctionnement des détecteurs à semi-conducteurs  

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

• Le rayonnement ionisant pénètre dans le volume sensible du détecteur et interagit avec le matériau semi-conducteur.
• Les particules traversant le détecteur ionisent 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.
• 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.

L’énergie requise pour produire des paires électron-trou est très faible par rapport à l’énergie requise pour produire des ions appariés dans un détecteur à ionisation gazeuse . Dans les détecteurs à semi-conducteur, la variation statistique de la hauteur d’impulsion est plus petite et la résolution d’énergie est plus élevée. Comme les électrons se déplacent rapidement, la résolution temporelle est également très bonne. Par rapport aux détecteurs à ionisation gazeuse, la densité d’un détecteur à semi-conducteur est très élevée et les particules chargées de haute énergie peuvent dégager leur énergie dans un semi-conducteur de dimensions relativement petites.

Détecteurs semi-conducteurs à base de silicium

Les détecteurs à semi-conducteurs à base de silicium sont principalement utilisés pour les détecteurs de particules chargées (en particulier pour le suivi des particules chargées ) et les détecteurs de rayons X mous, tandis que le germanium est largement utilisé pour la spectroscopie des rayons gamma. Un semi-conducteur grand, propre et presque parfait est idéal comme compteur de radioactivité . Cependant, il est difficile de fabriquer de gros cristaux avec une pureté suffisante. Les détecteurs à semi-conducteurs ont donc une faible efficacité, mais ils donnent une mesure très précise de l’énergie. Les détecteurs à base de silicium ont un bruit suffisamment faible même à température ambiante. Cela est dû à la large bande interditede silicium (Egap = 1,12 eV), ce qui nous permet de faire fonctionner le détecteur à température ambiante, mais le refroidissement est préférable pour réduire le bruit. L’inconvénient est que les détecteurs au silicium sont beaucoup plus chers que les chambres à nuage ou les chambres à fil et nécessitent un refroidissement sophistiqué pour réduire les courants de fuite (bruit). Ils subissent également une dégradation au fil du temps des rayonnements, mais celle-ci peut être considérablement réduite grâce à l’effet Lazare.

Application des détecteurs de silicium

Étant donné que les détecteurs à base de silicium sont très bons pour suivre les particules chargées, ils constituent une partie substantielle du système de détection du LHC au CERN. La plupart des détecteurs de particules de silicium fonctionnent, en principe, en dopant des bandes de silicium étroites (généralement d’environ 100 micromètres de large) pour les transformer en diodes, qui sont ensuite polarisées en inverse. Lorsque des particules chargées traversent ces bandes, elles provoquent de petits courants d’ionisation qui peuvent être détectés et mesurés. La disposition de milliers de ces détecteurs autour d’un point de collision dans un accélérateur de particules peut donner une image précise des chemins empruntés par les particules. Par exemple, le système de suivi interne (ITS) d’ une expérience de collisionneur d’ions de grande taille (ALICE) contient trois couches de détecteurs à base de silicium:

• Détecteur de pixels en silicium (SPD)
• Détecteur de dérive au silicium (SDD)
• Détecteur de bande de silicium (SSD)

Détecteurs de bande de silicium

Les détecteurs à base de silicium sont très bons pour suivre les particules chargées. Un détecteur de bande de silicium est un agencement d’implants en forme de bande agissant comme des électrodes de collecte de charge.

Les détecteurs à bande de silicium de 5 x 5 cm ² de surface sont assez courants et sont utilisés en série (tout comme les avions de MWPC) pour déterminer les trajectoires des particules chargées à des précisions de position de l’ordre de plusieurs μm dans la direction transversale. Placés sur une tranche de silicium totalement appauvrie et faiblement dopée, ces implants forment un réseau unidimensionnel de diodes. En connectant chacune des bandes métallisées à un amplificateur sensible à la charge, un détecteur sensible à la position est construit. Des mesures de position bidimensionnelles peuvent être obtenues en appliquant une bande supplémentaire comme du dopage sur la face arrière de la plaquette en utilisant une technologie double face. De tels dispositifs peuvent être utilisés pour mesurer de petits paramètres d’impact et ainsi déterminer si une particule chargée provient d’une collision primaire ou était le produit de désintégration d’une particule primaire qui a parcouru une petite distance de l’interaction d’origine, puis s’est désintégrée.

Les détecteurs à bande de silicium constituent une partie importante du système de détection du LHC au CERN. La plupart des détecteurs de particules de silicium fonctionnent, en principe, en dopant des bandes de silicium étroites (généralement d’environ 100 micromètres de large) pour les transformer en diodes, qui sont ensuite polarisées en inverse. Lorsque des particules chargées traversent ces bandes, elles provoquent de petits courants d’ionisation qui peuvent être détectés et mesurés. La disposition de milliers de ces détecteurs autour d’un point de collision dans un accélérateur de particules peut donner une image précise des chemins empruntés par les particules.

Par exemple, le système de suivi interne (ITS) d’ une expérience de collisionneur d’ions de grande taille (ALICE) contient trois couches de détecteurs à base de silicium:

• Détecteur de pixels en silicium (SPD)
• Détecteur de dérive au silicium (SDD)
• Détecteur de bande de silicium (SSD)

Détecteur Delta E – E – Télescope

En physique expérimentale, les détecteurs ΔE-E , appelés télescopes , sont de puissants dispositifs d’ identification des particules chargées . Afin de fournir une identification des particules chargées, des télescopes constitués de paires de détecteurs à barrière de surface mince et épais peuvent être utilisés. Ces détecteurs doivent être positionnés en série. La vitesse est déduite de la puissance d’arrêt mesurée dans les détecteurs minces ( détecteurs ΔE ). Il existe une forte corrélation entre l’énergie déposée dans chaque détecteur. Cette corrélation dépend de la masse (A), de la charge (Z) et de l’énergie cinétique (E) de chaque particule. La masse est déduite de la plage ou de la perte totale d’énergie cinétique dans le détecteur plus épais (Détecteur E ).

Les télescopes peuvent être composés de plusieurs détecteurs ( chambres d’ionisation , détecteurs au silicium et scintillateurs par exemple) empilés afin de ralentir les particules chargées incidentes, le premier détecteur étant le plus fin et le dernier le plus épais. Les compteurs à scintillation CsI peuvent par exemple être utilisés comme compteurs E finaux. Comme exemple de télescope, un ensemble basé sur deux détecteurs de silicium ΔE avant (10 ou 30 µm) et un compteur de silicium E de 1500 µm d’épaisseur peut être utilisé pour la détection de particules chargées à haute énergie.

Détecteurs à semi-conducteurs à base de germanium

Les détecteurs à semi-conducteur 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 au germanium grand, propre et presque parfait est idéal comme compteur pour la radioactivité. Cependant, il est difficile et coûteux de fabriquer de gros cristaux d’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.

Application des détecteurs au germanium – Spectroscopie gamma

Comme il a été écrit, l’étude et l’analyse des spectres de rayons gamma à des fins scientifiques et techniques sont appelées spectroscopie gamma, et les spectromètres à rayons gamma sont les instruments qui observent et collectent ces données. Un spectromètre à rayons gamma (GRS) est un appareil sophistiqué pour mesurer la distribution d’énergie du rayonnement gamma. Pour la mesure des rayons gamma au-dessus de plusieurs centaines de keV, il existe deux catégories de détecteurs d’importance majeure,  les scintillateurs inorganiques comme le NaI (Tl)  et les détecteurs semi –  conducteurs. Dans les articles précédents, nous avons décrit la spectroscopie gamma à l’aide d’un détecteur à scintillation, qui se compose d’un cristal scintillateur approprié, d’un tube photomultiplicateur et d’un circuit de mesure de la hauteur des impulsions produites par le photomultiplicateur. Les avantages d’un compteur à scintillation sont son efficacité (grande taille et haute densité) et la haute précision et les taux de comptage possibles. En raison du nombre atomique élevé d’iode, un grand nombre de toutes les interactions entraîneront une absorption complète de l’énergie des rayons gamma, de sorte que la fraction photo sera élevée.

Mais si une  résolution énergétique parfaite  est requise, nous devons utiliser un  détecteur à base de germanium , tel que le  détecteur HPGe . Les détecteurs à semi-conducteur 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. La FWHM (pleine largeur à moitié maximum) pour les détecteurs au germanium est fonction de l’énergie. Pour un photon de 1,3 MeV, la FWHM est de 2,1 keV, ce qui est très faible.