O que é o Detector de Semicondutores – Definição

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.

Os detectores de semicondutores são muito semelhantes em operação aos painéis fotovoltaicos que geram corrente elétrica. De maneira semelhante, uma corrente pode ser induzida por radiação ionizante. Quando a radiação ionizante entra no semicondutor, ela interage com o material semicondutor. Pode excitar um elétron para fora do seu nível de energia e, consequentemente, deixar um buraco. Esse processo é conhecido como geração de pares de elétrons e orifícios . Nos detectores semicondutores, os portadores de informações fundamentais são esses pares elétron-buraco, que são produzidos ao longo do caminho percorrido pela partícula carregada (primária ou secundária) através do detector. Ao coletar pares de elétrons e orifícios, o sinal de detecção é formado e registrado.

Os detectores de semicondutores são amplamente utilizados em proteção contra radiação , ensaio de materiais radioativos e pesquisa em física porque possuem algumas características únicas, podem ser fabricados de maneira barata e com boa eficiência e podem medir a intensidade e a energia da radiação incidente. Esses detectores são empregados para medir a energia da radiação e para identificação de partículas. Dos materiais semicondutores disponíveis, o silício é usado 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 pararadioatividade . 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. Detectores de semicondutores, especialmente detectores à base de germânio , são mais comumente usados ​​onde é necessária uma resolução de energia muito boa. Para obter a máxima eficiência, os detectores devem operar a temperaturas muito baixas de nitrogênio líquido (-196 ° C) . Portanto, a desvantagem é que os detectores de semicondutores são muito mais caros que outros detectores e requerem um resfriamento sofisticado para reduzir as correntes de fuga (ruído).

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.

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), o 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.

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

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.

Detectores de semicondutores à base de germânio

Os detectores de semicondutores baseados em 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 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 atualmente disponível atualmente, eles são usados ​​para medir radiação em uma variedade de aplicações, incluindo monitoramento pessoal e ambiental de contaminação radioativa, aplicações médicas, ensaio radiométrico, segurança nuclear e segurança de usinas nucleares.

Aplicação de detectores de germânio – espectroscopia gama

Como foi escrito, o estudo e a análise de espectros de raios gama para uso científico e técnico são chamados espectroscopia gama, e os espectrômetros de raios gama são os instrumentos que observam e coletam esses dados. Um espectrômetro de raios gama (GRS) é um dispositivo sofisticado para medir a distribuição de energia da radiação gama. Para a medição de raios gama acima de várias centenas de keV, existem duas categorias de detectores de grande importância:  cintiladores inorgânicos como NaI (Tl)  e  detectores semicondutores. Nos artigos anteriores, descrevemos a espectroscopia gama usando um detector de cintilação, que consiste em um cristal cintilador adequado, um tubo fotomultiplicador e um circuito para medir a altura dos pulsos produzidos pelo fotomultiplicador. As vantagens de um contador de cintilação são sua eficiência (tamanho grande e alta densidade) e as altas taxas de precisão e contagem possíveis. Devido ao alto número atômico de iodo, um grande número de todas as interações resultará na absorção completa da energia dos raios gama, de modo que a fração fotográfica será alta.

Mas, se  for necessária uma  resolução perfeita de energia , precisamos usar  um detector à base de germânio , como o  detector HPGe . 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. O FWHM (largura total na metade do máximo) para detectores de germânio é uma função da energia. Para um fóton de 1,3 MeV, o FWHM é de 2,1 keV, o que é muito baixo.