Nick Connor

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.

Semicondutor intrínseco – Pure Semiconductor

Um semicondutor intrínseco é um semicondutor completamente puro sem nenhuma espécie dopante significativa presente. Portanto, os semicondutores intrínsecos também são conhecidos como semicondutores puros ou semicondutores do tipo i.

O número de portadores de carga em determinada temperatura é, portanto, 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 elétrons(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. 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.

Os semicondutores têm um gap de energia menor que 4eV (cerca de 1eV). As folgas de banda são naturalmente diferentes para diferentes materiais. Por exemplo, o diamante é um semicondutor de banda larga (Egap = 5,47 eV) com alto potencial como material de dispositivo eletrônico em muitos dispositivos. Por outro lado, o germânio possui uma pequena energia de gap de banda ( _gap E = 0,67 eV), que requer a operação do detector em temperaturas criogênicas. Na física do estado sólido, esse gap de energia ou gap de banda é um intervalo de energia entre a banda de valência e a banda de condução, onde os 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.

Os semicondutores intrínsecos, no entanto, não são muito úteis, pois não são bons isolantes nem muito bons condutores. No entanto, uma característica importante dos semicondutores é que sua condutividade pode ser aumentada e controlada dopando com impurezas e bloqueando com campos elétricos. Lembre-se, 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 gerados constantemente a partir da energia térmica. A absorção total de um fóton de 1 MeV produz cerca de 3 x 10 ⁵ pares de furos de elétrons . Este valor é menor em comparação com o número total de transportadoras gratuitas em um 1 cm ³semicondutor intrínseco. Como pode ser visto, a relação sinal / ruído (S / N) seria mínima. A adição de 0,001% de arsénio (uma impureza) doa um extra de 10 ¹⁷ electrões livres no mesmo volume e a condutividade eléctrica é aumentada por um factor 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 para um nível aceitável. Caso contrário, o ruído induzido pela corrente de fuga destrói a resolução de energia do detector. O doping e a passagem movem a banda de condução ou valência muito mais perto do nível de Fermi e aumentam bastante o número de estados parcialmente preenchidos.

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.

CdTe e CdZnTe como semicondutor

O telureto de cádmio (CdTe) e o telureto de cádmio e zinco (CdZnTe) foram considerados como materiais semicondutores promissores para a detecção de raios-X e raios gama. O alto número atômico e a alta densidade desses materiais significam que eles podem atenuar efetivamente raios-X e raios gama com energias superiores a 20 keV que os sensores tradicionais à base de silício não conseguem detectar. Isso aumenta significativamente sua eficiência quântica em comparação com os baseados em silício. A energia de grande intervalo de banda (Egap = 1,44 eV) permite operar o detector à temperatura ambiente. Por outro lado, uma quantidade considerável de perda de carga nesses detectores produz uma resolução de energia reduzida.

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.

Diamante como semicondutor

O diamante é uma forma sólida do elemento carbono, com seus átomos dispostos em uma estrutura de cristal chamada diamante cúbico. Os diamantes também são bons isoladores elétricos, o que estranhamente é útil e problemático para dispositivos elétricos. O diamante é um semicondutor de banda larga (Egap = 5,47 eV) com alto potencial como material de dispositivo eletrônico em muitos dispositivos. Os detectores de diamante têm muitas semelhanças com os detectores de silício, mas espera-se que ofereçam vantagens significativas, em particular uma alta dureza de radiação e correntes de desvio muito baixas.

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.

Germânio como semicondutor

O germânio é um elemento químico com número atômico 32, o que significa que existem 32 prótons e 32 elétrons na estrutura atômica. O símbolo químico do germânio é Ge . O germânio é um metalóide brilhante, duro, branco-acinzentado no grupo carbono, quimicamente semelhante aos vizinhos do grupo, estanho e silício. O germânio puro é um semicondutor com aparência semelhante ao silício elementar. O germânio é amplamente utilizado para espectroscopia de raios gama . Na espectroscopia gama, o germânio é preferido devido ao seu número atômico ser muito maior que o silício e aumentar a probabilidade de interação com raios gama. O germânio é mais usado que o silício para detecção de radiação, porque a energia média necessária para criar umO par de elétrons e orifícios é de 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio, o que fornece a este uma melhor resolução em energia. Por outro lado, o germânio possui uma energia de gap de banda pequena ( _gap E = 0,67 eV), que requer a operação do detector em temperaturas criogênicas.

Detectores de semicondutores à base de germânio

Os detectores de semicondutores à base de germânio são mais comumente usados ​​onde é necessária uma resolução de energia muito boa , especialmente para espectroscopia gama, bem como espectroscopia de raios-x. Na espectroscopia gama, o germânio é preferido devido ao seu número atômico ser muito maior que o silício e aumentar a probabilidade de interação com raios gama. Além disso, o germânio possui menor energia média necessária para criar um par de elétrons-orifícios, que é 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio. Isso também fornece ao último uma melhor resolução em energia. Um semicondutor de germânio grande, limpo e quase perfeito é ideal como um contador para a radioatividade. No entanto, é difícil e caro produzir cristais grandes com pureza suficiente. Enquanto os detectores à base de silício não podem ser mais grossos do que alguns milímetros, o germânio pode ter uma espessura sensível e esgotada de centímetros e, portanto, pode ser usado como um detector de absorção total para raios gama de até poucos MeV.

Por outro lado, para obter a máxima eficiência, os detectores devem operar a temperaturas muito baixas de nitrogênio líquido (-196 ° C), porque, à temperatura ambiente, o ruído causado pela excitação térmica é muito alto.

Como os detectores de germânio produzem a mais alta resolução comumente disponível atualmente, eles são usados ​​para medir radiação em diversas aplicações, incluindo monitoramento pessoal e ambiental de contaminação radioativa, aplicações médicas, ensaio radiométrico, segurança nuclear e segurança de usinas nucleares.

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: translations@nuclear-power.com ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.

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.

Silício como semicondutor

O silício é um elemento químico com número atômico 14, o que significa que existem 14 prótons e 14 elétrons na estrutura atômica. O símbolo químico para o silício é Si . O silício é um sólido cristalino duro e quebradiço com um brilho metálico azul-cinza, é um metalóide e semicondutor tetravalente. O silício é usado principalmente para detectores de partículas carregadas (especialmente para rastrear partículas carregadas) e detectores de raios-X moles. A energia de grande intervalo de banda (Egap = 1,12 eV) nos permite operar o detector à temperatura ambiente, mas é preferível o resfriamento para reduzir o ruído. Os detectores baseados em silício são muito importantes na física de alta energia. Como os detectores à base de silício são muito bons para rastrear partículas carregadas, eles constituem uma parte substancial do sistema de detecção no LHC no CERN.

Detectores de semicondutores à base de silicone

Os detectores de semicondutores à base de silício são usados ​​principalmente para detectores de partículas carregadas (especialmente para rastrear partículas carregadas ) e detectores de raios-X moles, enquanto o germânio é amplamente usado para espectroscopia de raios gama. Um semicondutor grande, limpo e quase perfeito é ideal como um contador para a radioatividade . No entanto, é difícil produzir cristais grandes com pureza suficiente. Os detectores de semicondutores têm, portanto, baixa eficiência, mas fornecem uma medida muito precisa da energia. Os detectores baseados em silício têm ruído suficientemente baixo, mesmo em temperatura ambiente. Isso é causado pelo gap de banda largade silício (Egap = 1,12 eV), que nos permite operar o detector à temperatura ambiente, mas é preferível o resfriamento para reduzir o ruído. A desvantagem é que os detectores de silício são muito mais caros que as câmaras de nuvem ou de arame e requerem um arrefecimento sofisticado para reduzir as correntes de fuga (ruído). Eles também sofrem degradação ao longo do tempo devido à radiação, no entanto, isso pode ser bastante reduzido graças ao efeito Lázaro.

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

No semicondutor, portadores de carga livre são elétrons e buracos de elétrons (pares elétron-buraco). Elétrons e orifícios são criados por excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução. Um buraco de elétron (geralmente chamado simplesmente de buraco) é a falta de um elétron em uma posição em que um poderia existir em um átomoou estrutura atômica. É um dos dois tipos de portadores de carga responsáveis ​​pela criação de corrente elétrica em materiais semicondutores. Como em um átomo ou treliça de cristal normal, a carga negativa dos elétrons é balanceada pela carga positiva dos núcleos atômicos, a ausência de um elétron deixa uma carga líquida positiva na localização do buraco. Buracos carregados positivamente podem se mover de átomo para átomo em materiais semicondutores à medida que os elétrons deixam suas posições. Quando um elétron se encontra com um buraco, eles se recombinam e esses transportadores livres desaparecem efetivamente. A recombinação significa que um elétron que foi excitado da banda de valência para a banda de condução volta ao estado vazio na banda de valência, conhecido como orifícios.

A condutividade de um semicondutor pode ser modelada em termos da teoria da banda dos sólidos . O modelo de banda de um semicondutor sugere que, a temperaturas comuns, existe uma possibilidade finita de que os elétrons possam alcançar a banda de condução e contribuir para a condução elétrica. No semicondutor, os portadores de carga livre ( pares elétron-buraco ) são criados por excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução. Essa excitação deixou um buraco na banda de valência que se comporta como carga positiva e um par elétron-buraco é criado. Às vezes, os buracos podem ser confusos, pois não são partículas físicas da maneira que os elétrons são, mas sim a ausência de um elétron em um átomo. Buracos podem passar de átomo para átomo em materiais semicondutores à medida que os elétrons deixam suas posições.

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 do estado sólido, esse gap de energia ou gap de banda é um intervalo de energia entre a banda de valência e a banda de condução, onde os 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.

Excitação por radiação ionizante

A energia para a excitação pode ser obtida de diferentes maneiras. Os elétrons podem alcançar a banda de condução quando são excitados por radiação ionizante (ou seja, devem obter energia maior que o Egap). Em geral, partículas carregadas pesadas transferem energia principalmente por:

• Excitação. A partícula carregada pode transferir energia para o átomo, elevando os elétrons para níveis mais altos de energia.
• Ionizacao. A ionização pode ocorrer quando a partícula carregada possui energia suficiente para remover um elétron. Isso resulta na criação de pares de íons na matéria circundante.

Uma variável conveniente que descreve as propriedades de ionização do meio circundante é o poder de parada . A expressão clássica que descreve a perda de energia específica é conhecida como fórmula de Bethe . Para partículas alfa e partículas mais pesadas, o poder de parada da maioria dos materiais é muito alto para partículas carregadas pesadas e essas partículas têm faixas muito curtas.

Além dessas interações, as partículas beta também perdem energia pelo processo radiativo conhecido como bremsstrahlung . Da teoria clássica, quando uma partícula carregada é acelerada ou desacelerada, ela deve irradiar energia e a radiação de desaceleração é conhecida como bremsstrahlung (“radiação de frenagem”) .

Os fótons (raios gama e raios X) podem ionizar átomos diretamente (apesar de serem eletricamente neutros) através do efeito Fotoelétrico e do efeito Compton, mas a ionização secundária (indireta) é muito mais significativa. Embora seja conhecido um grande número de possíveis interações, existem três mecanismos principais de interação com a matéria.

• Efeito fotoelétrico
• Efeito Compton
• Produção em pares

Em todos os casos, uma partícula de radiação ionizante deposita uma parte de sua energia ao longo de seu caminho. As partículas que passam pelo detector ionizam os átomos do semicondutor, produzindo os pares elétron-buraco . Por exemplo, a espessura típica do detector de silício é de cerca de 300 µm, de modo que o número de pares de elétrons-buraco gerados pela partícula ionizante mínima (MIP) que passa perpendicularmente ao detector é de cerca de 3,2 x 10 ⁴ . Este valor é menor em comparação com o número total de portadores livres no semicondutor intrínseco de uma superfície de 1 cm ² e a mesma espessura. Observe que uma amostra de germânio puro a 20 ° C contém cerca de 1,26 × 10 ²¹ átomos, mas também contém 7,5 x 10 ¹¹elétrons livres e 7,5 x 10 ¹¹ buracos gerados constantemente a partir de energia térmica . Como pode ser visto, a relação sinal / ruído (S / N) seria mínima. A adição de 0,001% de arsénio (uma impureza) doa um extra de 10 ¹⁵ electrões livres no mesmo volume e a condutividade eléctrica é aumentada por um factor de 10.000. No material dopado, a relação sinal / ruído (S / N) seria ainda menor. O resfriamento do semicondutor é uma maneira de diminuir essa proporção.

A melhoria pode ser alcançada com o uso de uma tensão de polarização reversa na junção PN para esgotar o detector de portadores livres, que é o princípio dos detectores de radiação com mais silício. 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.

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 do estado sólido, esse gap de energia ou gap de banda é um intervalo de energia entre a banda de valência e a banda de condução, onde os 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.

Excitação óptica e térmica em semicondutores

A energia para a excitação pode ser obtida de diferentes maneiras.

Excitação Térmica

Pares de elétron-buraco também são constantemente gerados a partir de energia térmica, na ausência de qualquer fonte de energia externa. A excitação térmica não requer nenhuma outra forma de impulso inicial. Este fenômeno ocorre também à temperatura ambiente. É causada por impurezas, irregularidades na estrutura ou dopante. Depende fortemente do _intervalo E (uma distância entre a valência e a banda de condução), de modo que, no _intervalo E mais baixoum número de transportadores de carga excitados termicamente aumenta. Como a excitação térmica resulta no ruído do detector, é necessário um resfriamento ativo para alguns tipos de semicondutores (por exemplo, germânio). Os detectores baseados em silício têm ruído suficientemente baixo, mesmo em temperatura ambiente. Isso é causado pelo grande intervalo de banda de silício (Egap = 1,12 eV), que nos permite operar o detector à temperatura ambiente, mas o resfriamento é preferido para reduzir o ruído.

Excitação óptica

Observe que a energia de um único fóton de espectro de luz visível é comparável a essas lacunas de banda. Fótons de comprimento de onda 700 nm – 400 nm têm energias de 1,77 eV 3,10 eV. Como resultado, também a luz visível é capaz de excitar elétrons na banda de condução. Na verdade, esse é o princípio dos painéis fotovoltaicos que geram corrente elétrica.

No semicondutor, portadores de carga livre são elétrons e buracos de elétrons (pares elétron-buraco). Elétrons e orifícios são criados por excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução. Um buraco de elétron (geralmente chamado simplesmente de buraco) é a falta de um elétron em uma posição em que um poderia existir em um átomoou estrutura atômica. É um dos dois tipos de portadores de carga responsáveis ​​pela criação de corrente elétrica em materiais semicondutores. Como em um átomo ou treliça de cristal normal, a carga negativa dos elétrons é balanceada pela carga positiva dos núcleos atômicos, a ausência de um elétron deixa uma carga líquida positiva na localização do buraco. Buracos carregados positivamente podem se mover de átomo para átomo em materiais semicondutores à medida que os elétrons deixam suas posições. Quando um elétron se encontra com um buraco, eles se recombinam e esses transportadores livres desaparecem efetivamente. A recombinação significa que um elétron que foi excitado da banda de valência para a banda de condução volta ao estado vazio na banda de valência, conhecido como orifícios.

A condutividade de um semicondutor pode ser modelada em termos da teoria da banda dos sólidos . O modelo de banda de um semicondutor sugere que, a temperaturas comuns, existe uma possibilidade finita de que os elétrons possam alcançar a banda de condução e contribuir para a condução elétrica. No semicondutor, os portadores de carga livre ( pares elétron-buraco ) são criados por excitação de elétrons da banda de valência para a banda de condução. Essa excitação deixou um buraco na banda de valência que se comporta como carga positiva e um par elétron-buraco é criado. Às vezes, os buracos podem ser confusos, pois não são partículas físicas da maneira que os elétrons são, mas sim a ausência de um elétron em um átomo. Buracos podem passar de átomo para átomo em materiais semicondutores à medida que os elétrons deixam suas posições.

Excitação Eletrônica em Semicondutores

A energia para a excitação pode ser obtida de diferentes maneiras.

Excitação Térmica

Pares de elétron-buraco também são constantemente gerados a partir de energia térmica, na ausência de qualquer fonte de energia externa. A excitação térmica não requer nenhuma outra forma de impulso inicial. Este fenômeno ocorre também à temperatura ambiente. É causada por impurezas, irregularidades na estrutura ou dopante. Depende fortemente do _intervalo E (uma distância entre a valência e a banda de condução), de modo que, no _intervalo E mais baixoum número de transportadores de carga excitados termicamente aumenta. Como a excitação térmica resulta no ruído do detector, é necessário um resfriamento ativo para alguns tipos de semicondutores (por exemplo, germânio). Os detectores baseados em silício têm ruído suficientemente baixo, mesmo em temperatura ambiente. Isso é causado pelo grande intervalo de banda de silício (Egap = 1,12 eV), que nos permite operar o detector à temperatura ambiente, mas o resfriamento é preferido para reduzir o ruído.

Excitação óptica

Observe que a energia de um único fóton de espectro de luz visível é comparável a essas lacunas de banda. Fótons de comprimento de onda 700 nm – 400 nm têm energias de 1,77 eV 3,10 eV. Como resultado, também a luz visível é capaz de excitar elétrons na banda de condução. Na verdade, esse é o princípio dos painéis fotovoltaicos que geram corrente elétrica.

Excitação por radiação ionizante

Os elétrons podem alcançar a banda de condução quando são excitados por radiação ionizante (ou seja, devem obter energia maior que o Egap). Em geral, partículas carregadas pesadas transferem energia principalmente por:

• Excitação. A partícula carregada pode transferir energia para o átomo, elevando os elétrons para níveis mais altos de energia.
• Ionizacao. A ionização pode ocorrer quando a partícula carregada possui energia suficiente para remover um elétron. Isso resulta na criação de pares de íons na matéria circundante.

Uma variável conveniente que descreve as propriedades de ionização do meio circundante é o poder de parada . A expressão clássica que descreve a perda de energia específica é conhecida como fórmula de Bethe . Para partículas alfa e partículas mais pesadas, o poder de parada da maioria dos materiais é muito alto para partículas carregadas pesadas e essas partículas têm faixas muito curtas.

Além dessas interações, as partículas beta também perdem energia pelo processo radiativo conhecido como bremsstrahlung . Da teoria clássica, quando uma partícula carregada é acelerada ou desacelerada, ela deve irradiar energia e a radiação de desaceleração é conhecida como bremsstrahlung (“radiação de frenagem”) .

Fótons (raios gama e raios X) podem ionizar átomos diretamente (apesar de serem eletricamente neutros) através do efeito Fotoelétrico e do efeito Compton, mas a ionização secundária (indireta) é muito mais significativa. Embora seja conhecido um grande número de possíveis interações, existem três mecanismos principais de interação com a matéria.

• Efeito fotoelétrico
• Efeito Compton
• Produção de pares

Em todos os casos, uma partícula de radiação ionizante deposita uma parte de sua energia ao longo de seu caminho. As partículas que passam pelo detector ionizam os átomos do semicondutor, produzindo os pares elétron-buraco . Por exemplo, a espessura típica do detector de silício é de cerca de 300 µm, de modo que o número de pares de elétrons-buraco gerados pela partícula ionizante mínima (MIP) que passa perpendicularmente ao detector é de cerca de 3,2 x 10 ⁴ . Este valor é menor em comparação com o número total de portadores livres no semicondutor intrínseco de uma superfície de 1 cm ² e a mesma espessura. Observe que uma amostra de germânio puro a 20 ° C contém cerca de 1,26 × 10 ²¹ átomos, mas também contém 7,5 x 10 ¹¹elétrons livres e 7,5 x 10 ¹¹ buracos gerados constantemente a partir de energia térmica . Como pode ser visto, a relação sinal / ruído (S / N) seria mínima. A adição de 0,001% de arsénio (uma impureza) doa um extra de 10 ¹⁵ electrões livres no mesmo volume e a condutividade eléctrica é aumentada por um factor de 10.000. No material dopado, a relação sinal / ruído (S / N) seria ainda menor. O resfriamento do semicondutor é uma maneira de diminuir essa proporção.

A melhoria pode ser alcançada com o uso de uma tensão de polarização reversa na junção PN para esgotar o detector de portadores livres, que é o princípio dos detectores de radiação com mais silício. 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.

Na física do estado sólido, a banda de valência e a banda de condução são as bandas mais próximas do nível de Fermi e, assim, determinam a condutividade elétrica do sólido. Nos isoladores e semicondutores elétricos, a banda de valência é a faixa mais alta de energias eletrônicas na qual os elétrons estão normalmente presentes na temperatura zero absoluta. Por exemplo, um átomo de silício possui quatorze elétrons. No estado fundamental, eles são organizados na configuração eletrônica [Ne] 3s ² 3p ² . Destes, quatro são elétrons de valência, ocupando o orbital 3s e dois dos orbitais 3p. A distinção entre as bandas de valência e de condução não tem sentido nos metais, porque a condução ocorre em uma ou mais bandas parcialmente cheias que assumem as propriedades das bandas de valência e de condução.

Nível Fermi

O termo “nível de Fermi” vem das estatísticas de Fermi-Dirac , que descrevem uma distribuição de partículas sobre os estados de energia em sistemas que consistem em férmions (elétrons) que obedecem ao princípio de exclusão de Pauli . Como eles não podem existir em estados de energia idênticos, o nível de Fermi é o termo usado para descrever o topo da coleção de níveis de energia eletrônica na temperatura zero absoluta . O nível Fermi é a superfície do mar Fermino zero absoluto, onde nenhum elétron terá energia suficiente para subir acima da superfície. Nos metais, o nível de Fermi está na banda de condução hipotética, dando origem a elétrons de condução livre. Nos semicondutores, a posição do nível de Fermi está dentro do gap, aproximadamente no meio do gap.