Nick Connor

Um detector de cintilação ou contador de cintilação é obtido quando um cintilador é acoplado a um sensor de luz eletrônico, como:

• um tubo fotomultiplicador (PMT),
• uma câmera de dispositivo acoplado a carga (CCD),
• foto-diodo

Todos esses dispositivos podem ser usados ​​em contadores de cintilação e todos convertem a luz em um sinal elétrico e contêm componentes eletrônicos para processar esse sinal. Um fotodiodo é um dispositivo semicondutor que converte luz em corrente elétrica. Este é um dispositivo semicondutor que consiste em uma fina camada de silício, na qual a luz é absorvida, após a qual são criados portadores de carga livre (elétrons e orifícios). Um fotodiodo convencional geralmente se refere a um diodo PIN. PIN significa que os lados d e n dopados são separados por uma região i empobrecida. Elétrons e orifícios são coletados no ânodo e no cátodo do diodo. Isso resulta em uma fotocorrente que é a saída do diodo. A carga, no entanto, não é amplificada, diminuindo a amplitude do sinal de saída. Isso torna o fotodiodo sensível ao ruído eletrônico. Por outro lado,

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Na física dos semicondutores, um doador de elétrons é um átomo dopante (impureza) que, quando adicionado a um semicondutor, pode formar um semicondutor do tipo n . Um aceitador de elétrons é um átomo dopante (impureza) que, quando adicionado a um semicondutor, pode formar um semicondutor do tipo p . O processo de adição de impurezas controladas a um semicondutor é conhecido como dopagem de semicondutores . Esse processo altera um semicondutor intrínseco para um semicondutor extrínseco . Para ambos os tipos de átomos doadores ou aceitadores, o aumento da densidade de dopantes aumenta a condutividade.

Semicondutores do tipo n

Um semicondutor extrínseco que foi dopado com átomos de doadores de elétrons é chamado de semicondutor do tipo n, porque a maioria dos portadores de carga no cristal são elétrons negativos. Como o silício é um elemento tetravalente, a estrutura cristalina normal contém 4 ligações covalentes de quatro elétrons de valência. No silício, os dopantes mais comuns são os elementos do grupo III e do grupo V. Os elementos do grupo V (pentavalentes) possuem cinco elétrons de valência, o que lhes permite atuar como doador. Isso significa que a adição dessas impurezas pentavalentes, como arsênico, antimônio ou fósforo, contribui com elétrons livres, aumentando consideravelmente a condutividade do semicondutor intrínseco. Por exemplo, um cristal de silício dopado com boro (grupo III) cria um semicondutor do tipo p, enquanto um cristal dopado com fósforo (grupo V) resulta em um semicondutor do tipo n.

Os elétrons de condução são completamente dominados pelo número de elétrons doadores . Portanto:

O número total de electrões de condução é, aproximadamente, igual ao número de locais dadores, n≈N _D .

A neutralidade da carga do material semicondutor é mantida porque os locais doadores excitados equilibram os elétrons de condução. O resultado final é que o número de elétrons de condução é aumentado, enquanto o número de orifícios é reduzido. O desequilíbrio da concentração do portador nas respectivas bandas é expresso pelo diferente número absoluto de elétrons e buracos. Os elétrons são portadores majoritários, enquanto os orifícios são portadores minoritários em material do tipo n.

Semicondutores do tipo p

Um semicondutor extrínseco que foi dopado com átomos receptores de elétrons é chamado de semicondutor do tipo p , porque a maioria dos portadores de carga no cristal são orifícios de elétrons (portadores de carga positiva). O silício semicondutor puro é um elemento tetravalente , a estrutura cristalina normal contém 4 ligações covalentes de quatro elétrons de valência. No silício, os dopantes mais comuns são os elementos do grupo III e do grupo V. Os elementos do grupo III (trivalentes) contêm três elétrons de valência, fazendo com que funcionem como aceitadores quando usados ​​para dopar o silício. Quando um átomo aceitador substitui um átomo de silício tetravalente no cristal, um estado vago (um buraco no elétron) é criado. Um buraco de elétron (muitas vezes chamado simplesmente de buraco) é a falta de um elétron em uma posição em que alguém poderia existir em um átomo ou estrutura atômica. É um dos dois tipos de portadores de carga responsáveis ​​pela criação de corrente elétrica em materiais semicondutores. Esses orifícios carregados positivamente podem se mover de átomo para átomo em materiais semicondutores à medida que os elétrons deixam suas posições. A adição de impurezas trivalentes, como boro , alumínio ou gáliopara um semicondutor intrínseco cria esses orifícios de elétrons positivos na estrutura. Por exemplo, um cristal de silício dopado com boro (grupo III) cria um semicondutor do tipo p, enquanto um cristal dopado com fósforo (grupo V) resulta em um semicondutor do tipo n.

O número de orifícios de elétrons é completamente dominado pelo número de locais aceitadores. Portanto:

O número total de orifícios é aproximadamente igual ao número de locais dadores, p ≈ N _A .

A neutralidade da carga deste material semicondutor também é mantida. O resultado final é que o número de orifícios de elétrons é aumentado, enquanto o número de elétrons de condução é reduzido. O desequilíbrio da concentração do portador nas respectivas bandas é expresso pelo diferente número absoluto de elétrons e buracos. Os orifícios de elétrons são portadores majoritários , enquanto os elétrons são portadores minoritários em material do tipo p.

Na física dos semicondutores, um aceitador é um átomo dopante (impureza) que, quando adicionado a um semicondutor, pode formar um semicondutor do tipo p . O processo de adição de impurezas controladas a um semicondutor é conhecido como dopagem de semicondutores . Esse processo altera um semicondutor intrínseco para um semicondutor extrínseco . Para ambos os tipos de átomos doadores ou aceitadores, o aumento da densidade de dopantes aumenta a condutividade.

Semicondutores do tipo p

Um semicondutor extrínseco que foi dopado com átomos receptores de elétrons é chamado de semicondutor do tipo p , porque a maioria dos portadores de carga no cristal são orifícios de elétrons (portadores de carga positiva). O silício semicondutor puro é um elemento tetravalente , a estrutura cristalina normal contém 4 ligações covalentes de quatro elétrons de valência. No silício, os dopantes mais comuns são os elementos do grupo III e do grupo V. Os elementos do grupo III (trivalentes) contêm três elétrons de valência, fazendo com que funcionem como aceitadores quando usados ​​para dopar o silício. Quando um átomo aceitador substitui um átomo de silício tetravalente no cristal, um estado vago (um buraco no elétron) é criado. Um buraco de elétron (muitas vezes chamado simplesmente de buraco) é a falta de um elétron em uma posição em que alguém poderia existir em um átomo ou estrutura atômica. É um dos dois tipos de portadores de carga responsáveis ​​pela criação de corrente elétrica em materiais semicondutores. Esses orifícios carregados positivamente podem se mover de átomo para átomo em materiais semicondutores à medida que os elétrons deixam suas posições. A adição de impurezas trivalentes, como boro , alumínio ou gáliopara um semicondutor intrínseco cria esses orifícios de elétrons positivos na estrutura. Por exemplo, um cristal de silício dopado com boro (grupo III) cria um semicondutor do tipo p, enquanto um cristal dopado com fósforo (grupo V) resulta em um semicondutor do tipo n.

O número de orifícios de elétrons é completamente dominado pelo número de locais aceitadores. Portanto:

O número total de orifícios é aproximadamente igual ao número de locais dadores, p ≈ N _A .

A neutralidade da carga deste material semicondutor também é mantida. O resultado final é que o número de orifícios de elétrons é aumentado, enquanto o número de elétrons de condução é reduzido. O desequilíbrio da concentração do portador nas respectivas bandas é expresso pelo diferente número absoluto de elétrons e buracos. Os orifícios de elétrons são portadores majoritários , enquanto os elétrons são portadores minoritários em material do tipo p.

Nível do aceitante

Do ponto de vista do gap de energia , essas impurezas “criam” níveis de energia dentro do gap da banda próximo à banda de valênciapara que os elétrons possam ser facilmente excitados da banda de valência para esses níveis, deixando orifícios móveis na banda de valência. Eles criam níveis “rasos”, níveis muito próximos da banda de valência, de modo que a energia necessária para ionizar o átomo (aceita o elétron que preenche o buraco e cria outro buraco além do átomo substituído) é pequena. Isso muda o nível de Fermi efetivo para um ponto a meio caminho entre os níveis aceitadores e a faixa de valência. Nível de Fermi é o termo usado para descrever o topo da coleção de níveis de energia eletrônica na temperatura zero absoluta. O nível de Fermi é a superfície do mar de Fermi no zero absoluto, onde nenhum elétron terá energia suficiente para subir acima da superfície. Em semicondutores puros, a posição do nível de Fermi está dentro do gap, aproximadamente no meio do gap.

Na física dos semicondutores, um doador é um átomo dopante (impureza) que, quando adicionado a um semicondutor, pode formar um semicondutor do tipo n . O processo de adição de impurezas controladas a um semicondutor é conhecido como dopagem de semicondutores . Esse processo altera um semicondutor intrínseco para um semicondutor extrínseco . Para ambos os tipos de átomos doadores ou aceitadores, o aumento da densidade de dopantes aumenta a condutividade.

Semicondutores do tipo n

Um semicondutor extrínseco que foi dopado com átomos de doadores de elétrons é chamado de semicondutor do tipo n, porque a maioria dos portadores de carga no cristal são elétrons negativos. Como o silício é um elemento tetravalente, a estrutura cristalina normal contém 4 ligações covalentes de quatro elétrons de valência. No silício, os dopantes mais comuns são os elementos do grupo III e do grupo V. Os elementos do grupo V (pentavalentes) possuem cinco elétrons de valência, o que lhes permite atuar como doador. Isso significa que a adição dessas impurezas pentavalentes, como arsênico, antimônio ou fósforo, contribui com elétrons livres, aumentando consideravelmente a condutividade do semicondutor intrínseco. Por exemplo, um cristal de silício dopado com boro (grupo III) cria um semicondutor do tipo p, enquanto um cristal dopado com fósforo (grupo V) resulta em um semicondutor do tipo n.

Os elétrons de condução são completamente dominados pelo número de elétrons doadores . Portanto:

O número total de electrões de condução é, aproximadamente, igual ao número de locais dadores, n≈N _D .

A neutralidade da carga do material semicondutor é mantida porque os locais doadores excitados equilibram os elétrons de condução. O resultado final é que o número de elétrons de condução é aumentado, enquanto o número de orifícios é reduzido. O desequilíbrio da concentração do portador nas respectivas bandas é expresso pelo diferente número absoluto de elétrons e buracos. Os elétrons são portadores majoritários, enquanto os orifícios são portadores minoritários em material do tipo n.

Nível de Doadores

Do ponto de vista do gap de energia , essas impurezas “criam” níveis de energia no gap da banda próximo à banda de condução, para que os elétrons possam ser facilmente excitados desses níveis para a banda de condução. Dizem que os elétrons são os ” portadores majoritários ” para o fluxo de corrente em um semicondutor do tipo n. Isso muda o nível efetivo de Fermia um ponto a meio caminho entre os níveis dos doadores e a banda de condução. Nível de Fermi é o termo usado para descrever o topo da coleção de níveis de energia eletrônica na temperatura zero absoluta. O nível de Fermi é a superfície do mar de Fermi no zero absoluto, onde nenhum elétron terá energia suficiente para subir acima da superfície. Em semicondutores puros, a posição do nível de Fermi está dentro do gap, aproximadamente no meio do gap.

Em geral, os semicondutores são materiais, inorgânicos ou orgânicos, que têm a capacidade de controlar sua condução, dependendo da estrutura química, temperatura, iluminação e presença de dopantes. O nome semicondutor vem do fato de que esses materiais têm uma condutividade elétrica entre a de um metal, como cobre, ouro, etc. e um isolador, como o vidro. Eles têm um gap de energia menor que 4eV (cerca de 1eV). Na física de estado sólido, esse gap de energia ou gap de banda é um intervalo de energia entre a banda de valência e a banda de conduçãoonde estados de elétrons são proibidos. Ao contrário dos condutores, os elétrons em um semicondutor devem obter energia (por exemplo, a partir de radiação ionizante) para atravessar a folga da banda e alcançar a banda de condução. As propriedades dos semicondutores são determinadas pela diferença de energia entre as bandas de valência e de condução.

A junção PN – junção polarizada reversa

O detector de semicondutores opera muito melhor como detector de radiação se uma tensão externa for aplicada através da junção na direção inversa . A região de depleção funcionará como um detector de radiação. A melhoria pode ser alcançada pelo uso de uma tensão de polarização reversa na junção PN para esgotar o detector de portadoras livres, que é o princípio da maioria dos detectores semicondutores. A polarização reversa de uma junção aumenta a espessura da região de depleção porque a diferença de potencial entre a junção é aprimorada. Os detectores de germânio têm uma estrutura de pinosem que a região intrínseca (i) é sensível à radiação ionizante, particularmente raios X e raios gama. Sob polarização reversa, um campo elétrico se estende pela região intrínseca ou esgotada. Nesse caso, a tensão negativa é aplicada no lado p e positiva no segundo. Os furos na região p são atraídos da junção em direção ao contato p e da mesma forma para os elétrons e o contato n. Essa carga, que é proporcional à energia depositada no detector pelo fóton recebido, é convertida em um pulso de tensão por um pré-amplificador sensível à carga integral.

Veja também: Detectores de germânio, MIRION Technologies. <disponível em: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.

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Um semicondutor extrínseco , ou semicondutor dopado , é um semicondutor que foi dopado intencionalmente com o objetivo de modular suas propriedades elétricas, ópticas e estruturais. No caso de detectores semicondutores de radiação ionizante, o doping é a introdução intencional de impurezas em um semicondutor intrínseco com o objetivo de alterar suas propriedades elétricas. Portanto, os semicondutores intrínsecos também são conhecidos como semicondutores puros ou semicondutores do tipo i.

A adição de uma pequena porcentagem de átomos estranhos na rede cristalina regular de silício ou germânio produz mudanças dramáticas em suas propriedades elétricas, uma vez que esses átomos estranhos incorporados na estrutura cristalina do semicondutor fornecem portadores de carga gratuitos ( elétrons ou orifícios de elétrons ) no semicondutor. Em um semicondutor extrínseco, são esses átomos contaminantes estranhos na estrutura cristalina que fornecem principalmente os portadores de carga que transportam corrente elétrica através do cristal. Em geral, existem dois tipos de átomos contaminantes, resultando em dois tipos de semicondutores extrínsecos. Esses dopantes que produzem as alterações controladas desejadas são classificados como aceitadores ou doadores de elétrons e os semicondutores dopados correspondentes são conhecidos como:

• Semicondutores do tipo n. 
• Semicondutores do tipo p.

Portadores de carga em semicondutores extrínsecos

O número de suportes semicondutores puros a certa temperatura é determinado pelas propriedades do próprio material em vez da quantidade de impurezas. Observe que uma amostra de 1 cm ³ de germânio puro a 20 ° C contém cerca de 4,2 × 10 ²² átomos, mas também contém cerca de 2,5 x 10 ¹³ elétrons livres e 2,5 x 10 ¹³ orifícios. Esses transportadores de carga são produzidos por excitação térmica . Nos semicondutores intrínsecos, o número de elétrons excitados e o número de orifícios são iguais: n = p. Elétrons e orifícios são criados por excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução. Um buraco de elétron (muitas vezes chamado simplesmente de buraco) é a falta de um elétron em uma posição em que alguém poderia existir em um átomo ou estrutura atômica. Essa igualdade pode até ser o caso após a dopagem do semicondutor, embora apenas se for dopada com doadores e aceitadores da mesma forma. Nesse caso, n = p ainda é válido e o semicondutor permanece intrínseco, embora dopado. A adição de 0,001% de arsênico (uma impureza) doa um extra de 10 ¹⁷elétrons livres no mesmo volume e a condutividade elétrica é aumentada em um fator de 10.000. No material dopado, a relação sinal / ruído (S / N) seria ainda menor. Como o germânio possui um intervalo de banda relativamente baixo, esses detectores devem ser resfriados para reduzir a geração térmica de portadores de carga (portanto, reverter a corrente de fuga) para um nível aceitável. Caso contrário, o ruído induzido pela corrente de fuga destrói a resolução de energia do detector.

Portadores de carga em semicondutores do tipo n

No semicondutor do tipo n, os elétrons de condução são completamente dominados pelo número de elétrons doadores . Portanto:

O número total de electrões de condução é, aproximadamente, igual ao número de locais dadores, n≈N _D .

A neutralidade da carga do material semicondutor é mantida porque os locais doadores excitados equilibram os elétrons de condução. O resultado final é que o número de elétrons de condução é aumentado, enquanto o número de orifícios é reduzido. O desequilíbrio da concentração do portador nas respectivas bandas é expresso pelo diferente número absoluto de elétrons e buracos. Os elétrons são portadores majoritários, enquanto os orifícios são portadores minoritários em material do tipo n.

Portadores de carga em semicondutores do tipo p

No semicondutor do tipo p, o número de orifícios de elétrons é completamente dominado pelo número de locais aceitadores. Portanto:

O número total de orifícios é aproximadamente igual ao número de locais dadores, p ≈ N _A .

A neutralidade de carga deste material semicondutor também é mantida. O resultado final é que o número de orifícios de elétrons é aumentado, enquanto o número de elétrons de condução é reduzido. O desequilíbrio da concentração do portador nas respectivas faixas é expresso pelo diferente número absoluto de elétrons e buracos. Os orifícios de elétrons são portadores majoritários , enquanto os elétrons são portadores minoritários em material do tipo p.

Semicondutores do tipo p

Um semicondutor extrínseco que foi dopado com átomos receptores de elétrons é chamado de semicondutor do tipo p , porque a maioria dos portadores de carga no cristal são orifícios de elétrons (portadores de carga positiva). O silício semicondutor puro é um elemento tetravalente , a estrutura cristalina normal contém 4 ligações covalentes de quatro elétrons de valência. No silício, os dopantes mais comuns são os elementos do grupo III e do grupo V. Os elementos do grupo III (trivalentes) contêm três elétrons de valência, fazendo com que funcionem como aceitadores quando usados ​​para dopar o silício. Quando um átomo aceitador substitui um átomo de silício tetravalente no cristal, um estado vago (um buraco no elétron) é criado. Um buraco de elétron (muitas vezes chamado simplesmente de buraco) é a falta de um elétron em uma posição em que alguém poderia existir em um átomo ou estrutura atômica. É um dos dois tipos de portadores de carga responsáveis ​​pela criação de corrente elétrica em materiais semicondutores. Esses orifícios carregados positivamente podem se mover de átomo para átomo em materiais semicondutores à medida que os elétrons deixam suas posições. A adição de impurezas trivalentes, como boro , alumínio ou gáliopara um semicondutor intrínseco cria esses orifícios de elétrons positivos na estrutura. Por exemplo, um cristal de silício dopado com boro (grupo III) cria um semicondutor do tipo p, enquanto um cristal dopado com fósforo (grupo V) resulta em um semicondutor do tipo n.

O número de orifícios de elétrons é completamente dominado pelo número de locais aceitadores. Portanto:

O número total de orifícios é aproximadamente igual ao número de locais dadores, p ≈ N _A .

A neutralidade da carga deste material semicondutor também é mantida. O resultado final é que o número de orifícios de elétrons é aumentado, enquanto o número de elétrons de condução é reduzido. O desequilíbrio da concentração do portador nas respectivas bandas é expresso pelo diferente número absoluto de elétrons e buracos. Os orifícios de elétrons são portadores majoritários , enquanto os elétrons são portadores minoritários em material do tipo p.

Nível do aceitante

Do  ponto de vista do gap de energia , essas impurezas “criam” níveis de energia dentro do gap da banda próximo à banda de valênciapara que os elétrons possam ser facilmente excitados da banda de valência para esses níveis, deixando orifícios móveis na banda de valência. Eles criam níveis “rasos”, níveis muito próximos da banda de valência, de modo que a energia necessária para ionizar o átomo (aceita o elétron que preenche o buraco e cria outro buraco além do átomo substituído) é pequena. Isso muda o nível de Fermi efetivo para um ponto a meio caminho entre os níveis aceitadores e a faixa de valência. Nível de Fermi é o termo usado para descrever o topo da coleção de níveis de energia eletrônica na temperatura zero absoluta. O nível de Fermi é a superfície do mar de Fermi no zero absoluto, onde nenhum elétron terá energia suficiente para subir acima da superfície. Em semicondutores puros, a posição do nível de Fermi está dentro do gap, aproximadamente no meio do gap.

Semicondutores do tipo n

Um semicondutor extrínseco que foi dopado com átomos de doadores de elétrons é chamado de semicondutor do tipo n, porque a maioria dos portadores de carga no cristal são elétrons negativos. Como o silício é um elemento tetravalente, a estrutura cristalina normal contém 4 ligações covalentes de quatro elétrons de valência. No silício, os dopantes mais comuns são os elementos do grupo III e do grupo V. Os elementos do grupo V (pentavalentes) possuem cinco elétrons de valência, o que lhes permite atuar como doador. Isso significa que a adição dessas impurezas pentavalentes, como arsênico, antimônio ou fósforo, contribui com elétrons livres, aumentando consideravelmente a condutividade do semicondutor intrínseco. Por exemplo, um cristal de silício dopado com boro (grupo III) cria um semicondutor do tipo p, enquanto um cristal dopado com fósforo (grupo V) resulta em um semicondutor do tipo n.

Os elétrons de condução são completamente dominados pelo número de elétrons doadores . Portanto:

O número total de electrões de condução é, aproximadamente, igual ao número de locais dadores, n≈N _D .

A neutralidade da carga do material semicondutor é mantida porque os locais doadores excitados equilibram os elétrons de condução. O resultado final é que o número de elétrons de condução é aumentado, enquanto o número de orifícios é reduzido. O desequilíbrio da concentração do portador nas respectivas bandas é expresso pelo diferente número absoluto de elétrons e buracos. Os elétrons são portadores majoritários, enquanto os orifícios são portadores minoritários em material do tipo n.

Nível de Doadores

Do  ponto de vista do gap de energia , essas impurezas “criam” níveis de energia no gap da banda próximo à banda de condução, para que os elétrons possam ser facilmente excitados desses níveis para a banda de condução. Dizem que os elétrons são os ” portadores majoritários ” para o fluxo de corrente em um semicondutor do tipo n. Isso muda o nível efetivo de Fermia um ponto a meio caminho entre os níveis dos doadores e a banda de condução. Nível de Fermi é o termo usado para descrever o topo da coleção de níveis de energia eletrônica na temperatura zero absoluta. O nível de Fermi é a superfície do mar de Fermi no zero absoluto, onde nenhum elétron terá energia suficiente para subir acima da superfície. Em semicondutores puros, a posição do nível de Fermi está dentro do gap, aproximadamente no meio do gap.

Em geral, existem dois tipos de átomos contaminantes, resultando em dois tipos de semicondutores extrínsecos. Esses dopantes que produzem as alterações controladas desejadas são classificados como aceitadores ou doadores de elétrons e os semicondutores dopados correspondentes são conhecidos como:

• Semicondutores do tipo n.
• Semicondutores do tipo p.

Os semicondutores extrínsecos são componentes de muitos dispositivos elétricos comuns, bem como de muitos detectores de radiação ionizante. Para esse propósito, um diodo semicondutor (dispositivos que permitem corrente em apenas uma direção) geralmente consiste em semicondutores do tipo p e do tipo n colocados em junção um com o outro.

Semicondutores do tipo n

Um semicondutor extrínseco que foi dopado com átomos de doadores de elétrons é chamado de semicondutor do tipo n, porque a maioria dos portadores de carga no cristal são elétrons negativos. Como o silício é um elemento tetravalente, a estrutura cristalina normal contém 4 ligações covalentes de quatro elétrons de valência. No silício, os dopantes mais comuns são os elementos do grupo III e do grupo V. Os elementos do grupo V (pentavalentes) possuem cinco elétrons de valência, o que lhes permite atuar como doador. Isso significa que a adição dessas impurezas pentavalentes, como arsênico, antimônio ou fósforo, contribui com elétrons livres, aumentando consideravelmente a condutividade do semicondutor intrínseco. Por exemplo, um cristal de silício dopado com boro (grupo III) cria um semicondutor do tipo p, enquanto um cristal dopado com fósforo (grupo V) resulta em um semicondutor do tipo n.

Os elétrons de condução são completamente dominados pelo número de elétrons doadores . Portanto:

O número total de electrões de condução é, aproximadamente, igual ao número de locais dadores, n≈N _D .

A neutralidade da carga do material semicondutor é mantida porque os locais doadores excitados equilibram os elétrons de condução. O resultado final é que o número de elétrons de condução é aumentado, enquanto o número de orifícios é reduzido. O desequilíbrio da concentração do portador nas respectivas bandas é expresso pelo diferente número absoluto de elétrons e buracos. Os elétrons são portadores majoritários, enquanto os orifícios são portadores minoritários em material do tipo n.

Semicondutores do tipo p

Um semicondutor extrínseco que foi dopado com átomos receptores de elétrons é chamado de semicondutor do tipo p , porque a maioria dos portadores de carga no cristal são orifícios de elétrons (portadores de carga positiva). O silício semicondutor puro é um elemento tetravalente , a estrutura cristalina normal contém 4 ligações covalentes de quatro elétrons de valência. No silício, os dopantes mais comuns são os elementos do grupo III e do grupo V. Os elementos do grupo III (trivalentes) contêm três elétrons de valência, fazendo com que funcionem como aceitadores quando usados ​​para dopar o silício. Quando um átomo aceitador substitui um átomo de silício tetravalente no cristal, um estado vago (um buraco no elétron) é criado. Um buraco de elétron (muitas vezes chamado simplesmente de buraco) é a falta de um elétron em uma posição em que alguém poderia existir em um átomo ou estrutura atômica. É um dos dois tipos de portadores de carga responsáveis ​​pela criação de corrente elétrica em materiais semicondutores. Esses orifícios carregados positivamente podem se mover de átomo para átomo em materiais semicondutores à medida que os elétrons deixam suas posições. A adição de impurezas trivalentes, como boro , alumínio ou gáliopara um semicondutor intrínseco cria esses orifícios de elétrons positivos na estrutura. Por exemplo, um cristal de silício dopado com boro (grupo III) cria um semicondutor do tipo p, enquanto um cristal dopado com fósforo (grupo V) resulta em um semicondutor do tipo n.

O número de orifícios de elétrons é completamente dominado pelo número de locais aceitadores. Portanto:

O número total de orifícios é aproximadamente igual ao número de locais dadores, p ≈ N _A .

A neutralidade de carga deste material semicondutor também é mantida. O resultado final é que o número de orifícios de elétrons é aumentado, enquanto o número de elétrons de condução é reduzido. O desequilíbrio da concentração do portador nas respectivas faixas é expresso pelo diferente número absoluto de elétrons e buracos. Os orifícios de elétrons são portadores majoritários , enquanto os elétrons são portadores minoritários em material do tipo p.

Em geral, os semicondutores são materiais, inorgânicos ou orgânicos, que têm a capacidade de controlar sua condução, dependendo da estrutura química, temperatura, iluminação e presença de dopantes. O nome semicondutor vem do fato de que esses materiais têm uma condutividade elétrica entre a de um metal, como cobre, ouro, etc. e um isolador, como o vidro. Eles têm um gap de energia menor que 4eV (cerca de 1eV). Na física de estado sólido, esse gap de energia ou gap de banda é um intervalo de energia entre a banda de valência e a banda de conduçãoonde estados de elétrons são proibidos. Ao contrário dos condutores, os elétrons em um semicondutor devem obter energia (por exemplo, a partir de radiação ionizante) para atravessar a folga da banda e alcançar a banda de condução. As propriedades dos semicondutores são determinadas pela diferença de energia entre as bandas de valência e de condução.

Semicondutores extrínsecos – Semicondutores dopados

Um semicondutor extrínseco , ou semicondutor dopado , é um semicondutor que foi dopado intencionalmente com o objetivo de modular suas propriedades elétricas, ópticas e estruturais. No caso de detectores semicondutores de radiação ionizante, o doping é a introdução intencional de impurezas em um semicondutor intrínseco com o objetivo de alterar suas propriedades elétricas. Portanto, os semicondutores intrínsecos também são conhecidos como semicondutores puros ou semicondutores do tipo i.

A adição de uma pequena porcentagem de átomos estranhos na rede cristalina regular de silício ou germânio produz mudanças dramáticas em suas propriedades elétricas, uma vez que esses átomos estranhos incorporados na estrutura cristalina do semicondutor fornecem portadores de carga gratuitos (elétrons ou orifícios de elétrons) no semicondutor. Em um semicondutor extrínseco, são esses átomos contaminantes estranhos na estrutura cristalina que fornecem principalmente os portadores de carga que transportam corrente elétrica através do cristal. Em geral, existem dois tipos de átomos contaminantes, resultando em dois tipos de semicondutores extrínsecos. Esses dopantes que produzem as alterações controladas desejadas são classificados como aceitadores ou doadores de elétrons e os semicondutores dopados correspondentes são conhecidos como:

• Semicondutores do tipo n.
• Semicondutores do tipo p.

Os semicondutores extrínsecos são componentes de muitos dispositivos elétricos comuns, bem como de muitos detectores de radiação ionizante. Para esse propósito, um diodo semicondutor (dispositivos que permitem corrente em apenas uma direção) geralmente consiste em semicondutores do tipo p e do tipo n colocados em junção um com o outro.

Semicondutores do tipo n

Um semicondutor extrínseco que foi dopado com átomos de doadores de elétrons é chamado de semicondutor do tipo n, porque a maioria dos portadores de carga no cristal são elétrons negativos. Como o silício é um elemento tetravalente, a estrutura cristalina normal contém 4 ligações covalentes de quatro elétrons de valência. No silício, os dopantes mais comuns são os elementos do grupo III e do grupo V. Os elementos do grupo V (pentavalentes) possuem cinco elétrons de valência, o que lhes permite atuar como doador. Isso significa que a adição dessas impurezas pentavalentes, como arsênico, antimônio ou fósforo, contribui com elétrons livres, aumentando consideravelmente a condutividade do semicondutor intrínseco. Por exemplo, um cristal de silício dopado com boro (grupo III) cria um semicondutor do tipo p, enquanto um cristal dopado com fósforo (grupo V) resulta em um semicondutor do tipo n.

Os elétrons de condução são completamente dominados pelo número de elétrons doadores . Portanto:

O número total de electrões de condução é, aproximadamente, igual ao número de locais dadores, n≈N _D .

A neutralidade da carga do material semicondutor é mantida porque os locais doadores excitados equilibram os elétrons de condução. O resultado final é que o número de elétrons de condução é aumentado, enquanto o número de orifícios é reduzido. O desequilíbrio da concentração do portador nas respectivas bandas é expresso pelo diferente número absoluto de elétrons e buracos. Os elétrons são portadores majoritários, enquanto os orifícios são portadores minoritários em material do tipo n.

Semicondutores do tipo p

Um semicondutor extrínseco que foi dopado com átomos receptores de elétrons é chamado de semicondutor do tipo p , porque a maioria dos portadores de carga no cristal são orifícios de elétrons (portadores de carga positiva). O silício semicondutor puro é um elemento tetravalente , a estrutura cristalina normal contém 4 ligações covalentes de quatro elétrons de valência. No silício, os dopantes mais comuns são os elementos do grupo III e do grupo V. Os elementos do grupo III (trivalentes) contêm três elétrons de valência, fazendo com que funcionem como aceitadores quando usados ​​para dopar o silício. Quando um átomo aceitador substitui um átomo de silício tetravalente no cristal, um estado vago (um buraco de elétrons) é criado. Um buraco de elétron (muitas vezes chamado simplesmente de buraco) é a falta de um elétron em uma posição em que um poderia existir em um átomo ou estrutura atômica. É um dos dois tipos de portadores de carga responsáveis ​​pela criação de corrente elétrica em materiais semicondutores. Esses orifícios carregados positivamente podem se mover de átomo para átomo em materiais semicondutores à medida que os elétrons deixam suas posições. A adição de impurezas trivalentes como boro , alumínio ou gáliopara um semicondutor intrínseco cria esses orifícios de elétrons positivos na estrutura. Por exemplo, um cristal de silício dopado com boro (grupo III) cria um semicondutor do tipo p, enquanto um cristal dopado com fósforo (grupo V) resulta em um semicondutor do tipo n.

O número de orifícios de elétrons é completamente dominado pelo número de locais aceitadores. Portanto:

O número total de orifícios é aproximadamente igual ao número de locais dadores, p ≈ N _A .

A neutralidade de carga deste material semicondutor também é mantida. O resultado final é que o número de orifícios de elétrons é aumentado, enquanto o número de elétrons de condução é reduzido. O desequilíbrio da concentração do portador nas respectivas faixas é expresso pelo diferente número absoluto de elétrons e buracos. Os orifícios de elétrons são portadores majoritários , enquanto os elétrons são portadores minoritários em material do tipo p.

A junção PN – junção polarizada reversa

O detector de semicondutores opera muito melhor como detector de radiação se uma tensão externa for aplicada através da junção na direção inversa . A região de depleção funcionará como um detector de radiação. A melhoria pode ser alcançada pelo uso de uma tensão de polarização reversa na junção PN para esgotar o detector de portadoras livres, que é o princípio da maioria dos detectores semicondutores. A polarização reversa de uma junção aumenta a espessura da região de depleção porque a diferença de potencial entre a junção é aprimorada. Os detectores de germânio têm uma estrutura de pinosem que a região intrínseca (i) é sensível à radiação ionizante, particularmente raios X e raios gama. Sob polarização reversa, um campo elétrico se estende pela região intrínseca ou esgotada. Nesse caso, a tensão negativa é aplicada no lado p e positiva no segundo. Os furos na região p são atraídos da junção em direção ao contato p e da mesma forma para os elétrons e o contato n. Essa carga, que é proporcional à energia depositada no detector pelo fóton recebido, é convertida em um pulso de tensão por um pré-amplificador sensível à carga integral.

Veja também: Detectores de germânio, MIRION Technologies. <disponível em: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.