Princípio de operação de detectores de silício. A operação dos detectores de semicondutores é resumida nos seguintes pontos. A radiação ionizante entra no volume sensível do detector…. Dosimetria de Radiação
Detector de tira de silício Fonte: micronsemiconductor.co.uk
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.
Princípio de operação dos detectores de silício
A operação dos detectores de semicondutores é resumida nos seguintes pontos:
A radiação ionizante entra no volume sensível do detector e interage com o material semicondutor.
As partículas que passam pelo detector ionizam os átomos do semicondutor, produzindo os pares elétron-buraco . O número de pares elétron-buraco é proporcional à energia da radiação para o semicondutor. Como resultado, um número de elétrons é transferido da banda de valência para a banda de condução e um número igual de orifícios é criado na banda de valência.
Sob a influência de um campo elétrico, elétrons e buracos viajam para os eletrodos, onde resultam em um pulso que pode ser medido em um circuito externo,
Esse pulso carrega informações sobre a energia da radiação incidente original. O número desses pulsos por unidade de tempo também fornece informações sobre a intensidade da radiação.
A energia necessária para produzir pares de elétrons-buraco é muito baixa em comparação com a energia necessária para produzir íons emparelhados em um detector de ionização gasosa . Nos detectores de semicondutores, a variação estatística da altura do pulso é menor e a resolução da energia é maior. Como os elétrons viajam rápido, a resolução do tempo também é muito boa. Comparado aos detectores de ionização gasosa, a densidade de um detector de semicondutor é muito alta e partículas carregadas de alta energia podem liberar sua energia em um semicondutor de dimensões relativamente pequenas.
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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.
Um semicondutor intrínseco é um semicondutor completamente puro sem nenhuma espécie dopante significativa presente. Semicondutores intrínsecos e extrínsecos
Detector de tira de silício Fonte: micronsemiconductor.co.uk
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 intrínsecos e extrínsecos
Semicondutor intrínseco
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.
Semicondutores extrínsecos
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:
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.
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Os detectores semicondutor à base de silício são usados principalmente para detectores de partículas carregadas (especialmente para rastrear partículas carregadas) e detectores de raios-X moles. Dosimetria de Radiação
Detector de tira de silício Fonte: micronsemiconductor.co.uk
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 larga de 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.
Princípio de operação dos detectores de silício
A operação dos detectores de semicondutores é resumida nos seguintes pontos:
A radiação ionizante entra no volume sensível do detector e interage com o material semicondutor.
As partículas que passam pelo detector ionizam os átomos do semicondutor, produzindo os pares elétron-buraco . O número de pares elétron-buraco é proporcional à energia da radiação para o semicondutor. Como resultado, um número de elétrons é transferido da banda de valência para a banda de condução e um número igual de orifícios é criado na banda de valência.
Sob a influência de um campo elétrico, elétrons e buracos viajam para os eletrodos, onde resultam em um pulso que pode ser medido em um circuito externo,
Esse pulso carrega informações sobre a energia da radiação incidente original. O número desses pulsos por unidade de tempo também fornece informações sobre a intensidade da radiação.
A energia necessária para produzir pares de elétrons-buraco é muito baixa em comparação com a energia necessária para produzir íons emparelhados em um detector de ionização gasosa . Nos detectores de semicondutores, a variação estatística da altura do pulso é menor e a resolução da energia é maior. Como os elétrons viajam rápido, a resolução do tempo também é muito boa. Comparado aos detectores de ionização gasosa, a densidade de um detector de semicondutor é muito alta e partículas carregadas de alta energia podem liberar sua energia em um semicondutor de dimensões relativamente pequenas.
Aplicação de detectores de silício
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. A maioria dos detectores de partículas de silício trabalha, em princípio, dopando tiras estreitas (geralmente com cerca de 100 micrômetros de largura) de silício para transformá-las em diodos, que são então polarizados inversamente. À medida que as partículas carregadas passam por essas tiras, elas causam pequenas correntes de ionização que podem ser detectadas e medidas. Organizar milhares desses detectores em torno de um ponto de colisão em um acelerador de partículas pode fornecer uma imagem precisa de quais caminhos as partículas seguem. Por exemplo, o Sistema de rastreamento interno (ITS) de uma experiência de colisor de íons grandes (ALICE) contém três camadas de detectores baseados em silício:
Detector de pixels de silicone (SPD)
Detector de deriva de silício (SDD)
Detector de tira de silicone (SSD)
Detectores de tira de silicone
Os detectores à base de silício são muito bons para rastrear partículas carregadas. Um detector de tira de silício é um arranjo de implantes em forma de tira que atuam como eletrodos coletores de carga.
Os detectores de fita de silicone com área de 5 x 5 cm 2 são bastante comuns e são usados em série (assim como os aviões de MWPCs)) para determinar as trajetórias de partículas carregadas com precisão de posição da ordem de vários μm na direção transversal. Colocados em uma bolacha de silício com baixa dopagem e totalmente empobrecida, esses implantes formam uma matriz unidimensional de diodos. Ao conectar cada uma das tiras metalizadas a um amplificador sensível à carga, é construído um detector sensível à posição. É possível obter medições de posição bidimensionais aplicando uma faixa adicional como doping na parte traseira da bolacha, usando uma tecnologia de dupla face. Esses dispositivos podem ser usados para medir pequenos parâmetros de impacto e, assim, determinar se alguma partícula carregada se originou de uma colisão primária ou foi o produto de decomposição de uma partícula primária que percorreu uma pequena distância da interação original e depois se deteriorou.
Os detectores de fita de silício constituem uma parte substancial do sistema de detecção no LHC no CERN. A maioria dos detectores de partículas de silício trabalha, em princípio, dopando tiras estreitas (geralmente com cerca de 100 micrômetros de largura) de silício para transformá-las em diodos, que são então polarizados inversamente. À medida que as partículas carregadas passam por essas tiras, elas causam pequenas correntes de ionização que podem ser detectadas e medidas. Organizar milhares desses detectores em torno de um ponto de colisão em um acelerador de partículas pode fornecer uma imagem precisa de quais caminhos as partículas seguem.
Por exemplo, o Sistema de rastreamento interno (ITS) de uma experiência de colisor de íons grandes (ALICE) contém três camadas de detectores baseados em silício:
Detector de pixels de silicone (SPD)
Detector de deriva de silício (SDD)
Detector de tira de silicone (SSD)
Delta E – E Detector – Telescópio
Exemplo de histograma do detector ΔE-E. Cada curva tipo hipérbole representa uma partícula diferente no feixe.
Na física experimental, os detectores ΔE-E , conhecidos como telescópios , são dispositivos poderosos para identificação de partículas carregadas . Para fornecer identificação de partículas carregadas, telescópios que consistem em pares de detectores de barreira de superfície finos e espessos podem ser usados. Esses detectores devem ser posicionados em série. A velocidade é deduzida da potência de parada medida nos detectores finos ( detectores ΔE ). Existe uma forte correlação entre a energia depositada em cada detector. Essa correlação depende da massa (A), da carga (Z) e da energia cinética (E) de cada partícula. A massa é deduzida da faixa ou da perda de energia cinética total no detector mais espesso (Detector E ).
Os telescópios podem ser compostos por vários detectores ( câmaras de ionização , detectores de silício e cintiladores, por exemplo) empilhados para desacelerar as partículas carregadas, o primeiro sendo o mais fino e o último o mais espesso. Os contadores de cintilação CsI podem ser, por exemplo, usados como contadores E finais. Como um exemplo de telescópio, um conjunto baseado em dois detectores de silício ΔE dianteiros (10 ou 30 µm) e um contador de silício E com 1500 µm de espessura pode ser usado para a detecção de partículas carregadas de alta energia.
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Este artigo resume o princípio de operação dos detectores de semicondutores. A radiação ionizante entra no volume sensível do detector e interage com o material semicondutor. Dosimetria de Radiação
Detector de tira de silício Fonte: micronsemiconductor.co.uk
Um detector de semicondutores é um detector de radiação que é baseado em um semicondutor , como silício ou germânio, para medir o efeito de partículas ou fótons carregados incidentes. 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 uma faixa de energia entrebanda de valência e 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.
Princípio de operação de detectores de semicondutores
A operação dos detectores de semicondutores é resumida nos seguintes pontos:
A radiação ionizante entra no volume sensível do detector e interage com o material semicondutor.
As partículas que passam pelo detector ionizam os átomos do semicondutor, produzindo os pares elétron-buraco . O número de pares elétron-buraco é proporcional à energia da radiação para o semicondutor. Como resultado, um número de elétrons é transferido da banda de valência para a banda de condução e um número igual de orifícios é criado na banda de valência.
Sob a influência de um campo elétrico, elétrons e buracos viajam para os eletrodos, onde resultam em um pulso que pode ser medido em um circuito externo,
Esse pulso carrega informações sobre a energia da radiação incidente original. O número desses pulsos por unidade de tempo também fornece informações sobre a intensidade da radiação.
A energia necessária para produzir pares de elétrons-buraco é muito baixa em comparação com a energia necessária para produzir íons emparelhados em um detector de ionização gasosa . Nos detectores de semicondutores, a variação estatística da altura do pulso é menor e a resolução da energia é maior. Como os elétrons viajam rápido, a resolução do tempo também é muito boa. Comparado aos detectores de ionização gasosa, a densidade de um detector de semicondutor é muito alta e partículas carregadas de alta energia podem liberar sua energia em um semicondutor de dimensões relativamente pequenas.
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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, existem dois tipos de átomos contaminantes, resultando em dois tipos de semicondutores extrínsecos. Os dopantes mais comuns são os elementos do grupo III e do grupo V
Um 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 mudanças controladas desejadas são classificados como aceitadores de elétrons oudoadores 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.
Doador de elétrons – Grupo V Dopant
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.
Aceitador de elétrons – Dopante do grupo III
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.
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Os semicondutores altamente dopados se comportam metalicamente e esses semicondutores são conhecidos como semicondutores degenerados (muito altamente dopados). Dosimetria de Radiação
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.
Semicondutores degenerados
Deve-se notar que o aumento do doping leva ao aumento da condutividade devido à maior concentração de transportadores de carga. Os semicondutores altamente dopados se comportam metalicamente e esses semicondutores são conhecidos como semicondutores degenerados (muito altamente dopados) . Semicondutores degenerados são frequentemente usados em circuitos integrados como substitutos do metal. Freqüentemente, símbolos sobrescritos de mais e menos são usados para indicar a concentração relativa de dopagem em semicondutores. Por exemplo, n + indica um semicondutor do tipo n com uma alta concentração de dopagem. Da mesma forma, p – indicaria um material do tipo p dopado levemente.
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A dopagem de semicondutores é a introdução intencional de impurezas em um semicondutor intrínseco. Dopantes que produzem as mudanças controladas desejadas são classificados como aceitadores de elétrons ou doadores. Dosimetria de Radiação
Um 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 dopados por doadores
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 dopados com aceitador
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.
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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.
Detector de Cherenkov vs Detector de cintilação. Os detectores de cintiladores típicos têm um tempo de decaimento medido em microssegundos, enquanto a radiação Cherenkov é quase instantânea. Dosimetria de Radiação
Cherenkov Detectors
Um detector Cherenkov é um detector de partículas, que se baseia na detecção da radiação Cherenkov (luz visível ou fótons UV). Em contraste com um contador de cintilação, a produção de luz é instantânea. Os detectores de cintiladores típicos têm um tempo de decaimento medido em microssegundos, enquanto a radiação Cherenkov é quase instantânea e, com equipamentos de processamento de pulso rápido, pode ser medido em picossegundos. Os contadores Cherenkov são utilizados principalmente para a identificação de partículas , ou seja, para a determinação de massas de partículas. Os contadores de Cherenkov contêm dois elementos principais:
um radiador através do qual a partícula carregada passa,
A radiação Cherenkov, produzida no radiador, é radiação eletromagnética emitida quando uma partícula carregada (como um elétron) se move através de um meio dielétrico mais rápido que a velocidade da fase da luz nesse meio . Partículas que excedem a velocidade da fase da luz resultam em polarização ao longo do eixo do movimento, criando um campo dipolo. Quando esse campo entra em colapso, um pulso eletromagnético (radiação Cherenkov) é emitido na direção direta.
A radiação de Cherenkov é comumente produzida em materiais dielétricos através de elétrons de Compton ou elétrons de produção de pares e pósitrons. A intensidade da luz produzida por esse processo é muito menor que a da luminescência (a base para a operação do detector de cintilação), exigindo equipamentos de detecção de fótons ópticos mais sensíveis, como tubos fotocomplicadores com pouca luz (PMT). Os contadores de Cherenkov podem ser classificados como tipos de imagem ou de limiar , dependendo de utilizarem ou não informações de ângulo de Cherenkov (θ). No caso simples de um detector de limiara energia limiar dependente da massa permite a discriminação entre uma partícula mais leve (que irradia) e uma partícula mais pesada (que não irradia) da mesma energia ou momento. Os contadores de imagens podem ser usados para rastrear partículas e identificá-las. Embora os dispositivos que usam radiação Cherenkov sejam freqüentemente considerados detectores de identificação por partículas (PID), na prática, eles são amplamente utilizados em uma variedade muito maior de aplicações; Incluindo:
contadores de partículas rápidos
identificação de partículas hadrônicas
detectores de rastreamento realizando reconstrução completa de eventos.
Contadores de cintilação
Um contador de cintilação ou detector de cintilação é um detector de radiação que usa o efeito conhecido como cintilação . A cintilação é um flash de luz produzido em um material transparente pela passagem de uma partícula (um elétron, uma partícula alfa, um íon ou um fóton de alta energia). A cintilação ocorre no cintilador, que é uma parte essencial de um detector de cintilação. Em geral, um detector de cintilação consiste em:
Cintilador . Um cintilador gera fótons em resposta à radiação incidente.
Fotodetector . Um fotodetector sensível (geralmente um tubo fotomultiplicador (PMT), uma câmera de dispositivo acoplado a carga (CCD) ou um fotodiodo), que converte a luz em um sinal elétrico e eletrônico para processar esse sinal.
O princípio básico de operação envolve a reação da radiação com um cintilador, que produz uma série de flashes de intensidade variável. A intensidade dos flashes é proporcional à energia da radiação. Esse recurso é muito importante. Esses contadores são adequados para medir a energia da radiação gama ( espectroscopia gama ) e, portanto, podem ser usados para identificar isótopos emissores gama.
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Tipos de detectores Cherenkov – RICH – Super-Kamiokande. Os detectores Cherenkov podem ser classificados como tipos de imagem ou de limiar, dependendo de usarem ou não informações de ângulo de Cherenkov (θ). Dosimetria de Radiação
Os detectores Cherenkov podem ser classificados como tipos de imagem ou de limiar , dependendo de usarem ou não informações de ângulo de Cherenkov (θ). No caso simples de um detector de limiar, a energia do limiar dependente de massa permite a discriminação entre uma partícula mais leve (que irradia) e uma partícula mais pesada (que não irradia) da mesma energia ou momento. Os contadores de imagens podem ser usados para rastrear partículas e identificá-las. Embora os dispositivos que usam radiação Cherenkov sejam freqüentemente considerados detectores de identificação por partículas (PID), na prática, eles são amplamente utilizados em uma variedade muito maior de aplicações; Incluindo:
contadores de partículas rápidos
identificação de partículas hadrônicas
detectores de rastreamento realizando reconstrução completa de eventos.
Tipos de detectores Cherenkov – Exemplos
RICO. Os detectores práticos de Cherenkov de imagens em anel de várias faixas (chamados contadores RICH) são um desenvolvimento mais recente. Em um detector RICH, um cone de luz Cherenkov é produzido quando uma partícula carregada de alta velocidade atravessa um meio adequado, geralmente chamado radiador. Esse cone de luz é detectado em um detector de fóton planar sensível à posição, que permite reconstruir um anel ou disco, cujo raio é uma medida do ângulo de emissão de Cherenkov. Por exemplo, o experimento LHCb no Large Hadron Collider usa dois detectores RICH para diferenciar pions e kaons.
Super-Kamiokande. O Super-Kamiokande é um observatório subterrâneo de neutrinos, que utiliza grandes contadores de água de Cherenkov para detectar neutrinos de alta energia para procurar decaimento de prótons, estudar neutrinos solares e atmosféricos e acompanhar as supernovas na Galáxia da Via Láctea. Consiste em um tanque cilíndrico de aço inoxidável com cerca de 40 m de altura e diâmetro, contendo 50.000 toneladas de água ultrapura. Montados em uma superestrutura interna, existem cerca de 13.000 tubos fotomultiplicadores que detectam a luz da radiação Cherenkov.
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Um detector Cherenkov é um detector de partículas, que se baseia na detecção da radiação Cherenkov (luz visível ou fótons UV). Os contadores Cherenkov são utilizados principalmente para a identificação de partículas. Dosimetria de Radiação
Um detector Cherenkov é um detector de partículas, que se baseia na detecção da radiação Cherenkov (luz visível ou fótons UV). Em contraste com um contador de cintilação, a produção de luz é instantânea. Os detectores de cintiladores típicos têm um tempo de decaimento medido em microssegundos, enquanto a radiação Cherenkov é quase instantânea e, com equipamentos de processamento de pulso rápido, pode ser medido em picossegundos. Os contadores Cherenkov são utilizados principalmente para a identificação de partículas , ou seja, para a determinação de massas de partículas. Os contadores de Cherenkov contêm dois elementos principais:
um radiador através do qual a partícula carregada passa,
A radiação Cherenkov, produzida no radiador, é radiação eletromagnética emitida quando uma partícula carregada (como um elétron) se move através de um meio dielétrico mais rápido que a velocidade da fase da luz nesse meio . Partículas que excedem a velocidade da fase da luz resultam em polarização ao longo do eixo do movimento, criando um campo dipolo. Quando esse campo entra em colapso, um pulso eletromagnético (radiação Cherenkov) é emitido na direção direta. É semelhante à onda de proa produzida por um barco que viaja mais rápido que a velocidade das ondas de água. A radiação Cherenkov ocorre apenas se a velocidade da partícula for superior à velocidade da fase da luz no material. Mesmo com altas energias, a energia perdidapor Cherenkov, a radiação é muito menor que a dos outros mecanismos (colisões, bremsstrahlung). É nomeado após o físico soviético Pavel Alekseyevich Cherenkov , que dividiu o Prêmio Nobel de Física em 1958 com Ilya Frank e Igor Tamm pela descoberta da radiação de Cherenkov, feita em 1934.
Fonte: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
A radiação de Cherenkov é comumente produzida em materiais dielétricos através de elétrons de Compton ou elétrons de produção de pares e pósitrons. A intensidade da luz produzida por esse processo é muito menor que a da luminescência (a base para a operação do detector de cintilação), exigindo equipamentos de detecção de fótons ópticos mais sensíveis, como tubos fotocomplicadores com pouca luz (PMT). Os contadores de Cherenkov podem ser classificados como tipos de imagem ou de limiar , dependendo de utilizarem ou não informações de ângulo de Cherenkov (θ). No caso simples de um detector de limiara energia limiar dependente da massa permite a discriminação entre uma partícula mais leve (que irradia) e uma partícula mais pesada (que não irradia) da mesma energia ou momento. Os contadores de imagens podem ser usados para rastrear partículas e identificá-las. Embora os dispositivos que usam radiação Cherenkov sejam freqüentemente considerados detectores de identificação por partículas (PID), na prática, eles são amplamente utilizados em uma variedade muito maior de aplicações; Incluindo:
contadores de partículas rápidos
identificação de partículas hadrônicas
detectores de rastreamento realizando reconstrução completa de eventos.
Tipos de detectores Cherenkov – Exemplos
RICO. Os detectores práticos de Cherenkov de imagens em anel de várias faixas (chamados contadores RICH) são um desenvolvimento mais recente. Em um detector RICH, um cone de luz Cherenkov é produzido quando uma partícula carregada de alta velocidade atravessa um meio adequado, geralmente chamado radiador. Esse cone de luz é detectado em um detector de fóton planar sensível à posição, que permite reconstruir um anel ou disco, cujo raio é uma medida do ângulo de emissão de Cherenkov. Por exemplo, o experimento LHCb no Large Hadron Collider usa dois detectores RICH para diferenciar pions e kaons.
Super-Kamiokande. O Super-Kamiokande é um observatório subterrâneo de neutrinos, que utiliza grandes contadores de água de Cherenkov para detectar neutrinos de alta energia para procurar decaimento de prótons, estudar neutrinos solares e atmosféricos e acompanhar as supernovas na Galáxia da Via Láctea. Consiste em um tanque cilíndrico de aço inoxidável com cerca de 40 m de altura e diâmetro, contendo 50.000 toneladas de água ultrapura. Montados em uma superestrutura interna, existem cerca de 13.000 tubos fotomultiplicadores que detectam a luz da radiação Cherenkov.
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