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

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. Dosimétrie des rayonnements
détecteur de bande de silicium - semi-conducteurs
Détecteur de bande de silicine Source: micronsemiconductor.co.uk

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 grande 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 fils 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.

Principe de fonctionnement des détecteurs au silicium

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.

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

delta E - E Télescope - carte
Exemple d’histogramme du détecteur ΔE-E. Chaque courbe de type hyperbole représente une particule différente dans le faisceau.

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.

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