O que é excitação por radiação ionizante – Definição

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.