Qu’est-ce qu’un détecteur à semi-conducteur à base de germanium – Définition

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. Dosimétrie des rayonnements

Détecteurs à semi-conducteurs à base de germanium

Détecteur HPGe - Germanium
Détecteur HPGe avec cryostat LN2 Source: canberra.com

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.

Détecteur de germanium – 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).

Germanium - semi-conducteurNotez 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.

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 PNpour 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 de broches dans 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,

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

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.

Spectre du détecteur HPGe
Figure: Légende: Comparaison des spectres NaI (Tl) et HPGe pour le cobalt-60. Source: Radioisotopes et méthodologie de rayonnement I, II. Soo Hyun Byun, notes de cours. Université McMaster, Canada.

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.

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