O que é um detector de semicondutores à base de germânio – Definição

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. Dosimetria de Radiação

Detectores de semicondutores à base de germânio

Detector HPGe - Germânio
Detector HPGe com criostato LN2 Fonte: canberra.com

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.

Detector de germânio – princípio de operação

A operação dos detectores de semicondutores é resumida nos seguintes pontos:

  • A radiação ionizante entra no volume sensível ( cristal de germânio ) do detector e interage com o material semicondutor.
  • O fóton de alta energia que passa pelo detector ioniza 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.
  • Como o germânio pode ter uma espessura sensível e esgotada de centímetros, eles são capazes de absorver totalmente os fótons de alta energia  (até alguns MeV).
  • 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.

Em todos os casos, um fóton deposita uma parte de sua energia ao longo do caminho e pode ser absorvido totalmente. 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 portadores livres em de 1 cm semicondutor intrínseco . As partículas que passam pelo detector ionizam os átomos do semicondutor, produzindo os pares elétron-buraco. Mas em detectores à base de germânio à temperatura ambiente, a excitação térmica é dominante. É causada por impurezas, irregularidade na estrutura ou dopante . Depende fortemente da diferença E(uma distância entre a valência e a banda de condução), que é muito baixa para o germânio (Egap = 0,67 eV). Como a excitação térmica resulta no ruído do detector, é necessário um resfriamento ativo para alguns tipos de semicondutores (por exemplo, germânio).

Germânio - semicondutorObserve 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 gerados constantemente a partir da energia térmica. Como pode ser visto, a relação sinal-ruído (S / N) seria mínima (comparar com 3 x 10 5 pares de electrão-lacuna). A adição de 0,001% de arsênico (uma impureza) doa um extra de 10 17elétrons livres no mesmo volume e a condutividade elétrica é aumentada em um fator de 10.000. No material dopado, a relação sinal / ruído (S / N) seria ainda menor. Como o germânio possui um intervalo de banda relativamente baixo, esses detectores devem ser resfriados para reduzir a geração térmica de portadores de carga (portanto, reverter a corrente de fuga) para um nível aceitável. Caso contrário, o ruído induzido pela corrente de fuga destrói a resolução de energia do detector.

Junção polarizada inversa

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

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

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.

Espectro do detector HPGe
Figura: Legenda: Comparação dos espectros de NaI (Tl) e HPGe para o cobalto-60. Fonte: Radioisótopos e metodologia de radiação I, II. Soo Hyun Byun, notas de aula. Universidade McMaster, Canadá.

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.

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