Qu’est-ce que l’excitation par rayonnement ionisant – Définition

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 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.

Excitation par rayonnement ionisant

L’énergie pour l’excitation peut être obtenue de différentes manières. Les électrons peuvent atteindre la bande de conduction lorsqu’ils sont excités par des rayonnements ionisants (c’est-à-dire qu’ils doivent obtenir une énergie supérieure à Egap). En général, les particules lourdes chargées transfèrent l’énergie principalement par:

• Excitation. La particule chargée peut transférer de l’énergie à l’atome, élevant les électrons à des niveaux d’énergie plus élevés.
• Ionisation. L’ionisation peut se produire lorsque les particules chargées ont suffisamment d’énergie pour retirer un électron. Il en résulte une création de paires d’ions dans la matière environnante.

Une variable pratique qui décrit les propriétés d’ionisation du milieu environnant est le pouvoir d’arrêt . L’expression classique qui décrit la perte d’énergie spécifique est connue sous le nom de formule de Bethe . Pour les particules alpha et les particules plus lourdes, le pouvoir d’arrêt de la plupart des matériaux est très élevé pour les particules chargées lourdes et ces particules ont des portées très courtes.

En plus de ces interactions, les particules bêta perdent également de l’énergie par un processus radiatif connu sous le nom de bremsstrahlung . D’après la théorie classique, lorsqu’une particule chargée est accélérée ou décélérée, elle doit rayonner de l’énergie et le rayonnement de décélération est connu sous le nom de bremsstrahlung («rayonnement de freinage») .

Les photons (rayons gamma et rayons X) peuvent ioniser les atomes directement (bien qu’ils soient électriquement neutres) par l’effet photoélectrique et l’effet Compton, mais l’ionisation secondaire (indirecte) est beaucoup plus importante. Bien qu’un grand nombre d’interactions possibles soient connues, il existe trois mécanismes d’interaction clés avec la matière.

• Effet photoélectrique
• Diffusion de Compton
• Production de paires

Dans tous les cas, une particule de rayonnement ionisant dépose une partie de son énergie le long de son trajet. Les particules traversant le détecteur ionisent les atomes de semi-conducteur, produisant les paires électron-trou . Par exemple, l’épaisseur typique du détecteur de silicium est d’environ 300 µm, de sorte que le nombre de paires électron-trou générées par des particules ionisantes minimales (MIP) passant perpendiculairement à travers le détecteur est d’environ 3,2 x 10 ⁴ . Cette valeur est mineure par rapport au nombre total de porteurs libres en semi-conducteur intrinsèque d’une surface de 1 cm ² et de même épaisseur. Notez que, un échantillon de germanium pur à 20 ° C contient environ 1,26 × 10 ²¹ atomes, mais contient également 7,5 x 10 ¹¹électrons libres et 7,5 x 10 ¹¹ trous générés en permanence par l’ énergie thermique . Comme on peut le voir, le rapport signal / bruit (S / N) serait minime. L’addition de 0,001% de l’ arsenic (impureté) fait don un supplément de 10 ¹⁵ électrons libres dans le même volume et la conductivité électrique est augmentée par un facteur de 10 000. Dans un matériau dopé, le rapport signal / bruit (S / N) serait encore plus petit. Le refroidissement du semi – conducteur est un moyen de réduire ce rapport.

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 de rayonnement en silicium. 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.