Qual é a vantagem e a desvantagem dos detectores 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. 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 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. 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).

Vantagens e desvantagens dos detectores de semicondutores

Vantagens dos detectores HPGe

• Maior número atômico. 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 possui uma energia média mais baixa necessária para criar um par de elétrons-orifícios, que é 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio.
• Muito boa resolução de energia . O FWHM 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.
• Grandes cristais . 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.

Desvantagens dos detectores HPGe

• Arrefecimento . A principal desvantagem dos detectores HPGe é que eles devem ser resfriados a temperaturas de nitrogênio líquido. 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. Lembre-se, a diferença de banda (uma distância entre a valência e a banda de condução ) é muito baixa para o germânio (Egap = 0,67 eV). O resfriamento até a temperatura do nitrogênio líquido (-195,8 ° C; -320 ° F) reduz as excitações térmicas dos elétrons de valência, de modo que apenas uma interação de raios gama pode fornecer ao elétron a energia necessária para atravessar o intervalo da banda e alcançar a banda de condução.
• Preço . A desvantagem é que os detectores de germânio são muito mais caros que as câmaras de ionização ou contadores de cintilação .

Vantagens dos detectores de silício

• 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.
• O silício tem uma alta densidade de 2.329 g / cm ³ e, portanto, a perda média de energia por unidade de comprimento permite a construção de detectores finos (por exemplo, 300 µm) que ainda produzem sinais mensuráveis. Por exemplo, no caso de partículas ionizantes mínimas (MIP), a perda de energia é de 390 eV / µm. Os detectores de silício são mecanicamente rígidos e, portanto, nenhuma estrutura de suporte especial é necessária.
• Os detectores baseados em silício são muito bons para rastrear partículas carregadas, eles constituem uma parte substancial do sistema de detecção no LHC no CERN.
• Os detectores de silício podem ser usados ​​em campos magnéticos fortes.

Desvantagens dos detectores de silício

• Preço . A desvantagem é que os detectores de silício são muito mais caros do que as câmaras de nuvem ou de arame.
• Degradação . Eles também sofrem degradação ao longo do tempo devido à radiação, no entanto, isso pode ser bastante reduzido graças ao efeito Lázaro.
• FWHM alto . 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.