Halbleiterdetektor – Wikipedia

EIN Halbleiterdetektor Bei der Detektion ionisierender Strahlung ist die Physik ein Gerät, das einen Halbleiter (normalerweise Silizium oder Germanium) verwendet, um die Wirkung einfallender geladener Teilchen oder Photonen zu messen.

Halbleiterdetektoren finden breite Anwendung für Strahlenschutz, Gamma- und Röntgenspektrometrie sowie als Partikeldetektoren.

Erkennungsmechanismus[edit]

In Halbleiterdetektoren wird ionisierende Strahlung durch die Anzahl der Ladungsträger gemessen, die in dem zwischen zwei Elektroden angeordneten Detektormaterial durch die Strahlung freigesetzt werden. Ionisierende Strahlung erzeugt freie Elektronen und Löcher. Die Anzahl der Elektron-Loch-Paare ist proportional zur Energie der Strahlung zum Halbleiter. Infolgedessen wird eine Anzahl von Elektronen vom Valenzband auf das Leitungsband übertragen, und eine gleiche Anzahl von Löchern wird im Valenzband erzeugt. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes wandern Elektronen und Löcher zu den Elektroden, wo sie zu einem Impuls führen, der in einem äußeren Stromkreis gemessen werden kann, wie im Shockley-Ramo-Theorem beschrieben. Die Löcher bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung und können auch gemessen werden. Da die zur Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares erforderliche Energiemenge bekannt und unabhängig von der Energie der einfallenden Strahlung ist, kann durch Messen der Anzahl der Elektron-Loch-Paare die Intensität der einfallenden Strahlung bestimmt werden.[1]

Die zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren erforderliche Energie ist im Vergleich zu der zur Erzeugung gepaarter Ionen in einem Gasdetektor erforderlichen Energie sehr gering. Folglich ist bei Halbleiterdetektoren die statistische Variation der Impulshöhe kleiner und die Energieauflösung höher. Da sich die Elektronen schnell bewegen, ist auch die Zeitauflösung sehr gut und hängt von der Anstiegszeit ab.[2] Im Vergleich zu gasförmigen Ionisationsdetektoren ist die Dichte eines Halbleiterdetektors sehr hoch, und geladene Teilchen mit hoher Energie können ihre Energie in einem Halbleiter mit relativ kleinen Abmessungen abgeben.

Detektortypen[edit]

Siliziumdetektoren[edit]

Ein FVTX-Sensor (Forward Silicon Vertex Detector) des PHENIX-Detektors auf einem Mikroskop zeigt einen Abstand der Siliziumstreifen bei 75 Mikrometern.[3]

Die meisten Siliziumpartikeldetektoren dotieren im Prinzip schmale (normalerweise etwa 100 Mikrometer breite) Siliziumstreifen, um sie in Dioden umzuwandeln, die dann in Sperrrichtung vorgespannt werden. Wenn geladene Teilchen diese Streifen passieren, verursachen sie kleine Ionisationsströme, die erfasst und gemessen werden können. Das Anordnen von Tausenden dieser Detektoren um einen Kollisionspunkt in einem Teilchenbeschleuniger kann ein genaues Bild davon liefern, welchen Weg Teilchen nehmen. Siliziumdetektoren haben eine viel höhere Auflösung bei der Verfolgung geladener Teilchen als ältere Technologien wie Wolkenkammern oder Drahtkammern. Der Nachteil ist, dass Siliziumdetektoren viel teurer sind als diese älteren Technologien und eine ausgeklügelte Kühlung erfordern, um Leckströme (Rauschquelle) zu reduzieren. Sie werden im Laufe der Zeit auch durch Strahlung abgebaut, was jedoch dank des Lazarus-Effekts stark reduziert werden kann.

Diamantdetektoren[edit]

Diamantdetektoren haben viele Ähnlichkeiten mit Siliziumdetektoren, es wird jedoch erwartet, dass sie signifikante Vorteile bieten, insbesondere eine hohe Strahlungshärte und sehr niedrige Driftströme. Gegenwärtig sind sie viel teurer und schwieriger herzustellen.

Germaniumdetektoren[edit]

Hochreiner Germaniumdetektor (getrennt von flüssigem Stickstoffdewar)

Germaniumdetektoren werden hauptsächlich für die Gammaspektroskopie in der Kernphysik sowie für die Röntgenspektroskopie verwendet. Während Siliziumdetektoren nicht dicker als einige Millimeter sein können, kann Germanium eine abgereicherte, empfindliche Dicke von Zentimetern aufweisen und kann daher als Gesamtabsorptionsdetektor für Gammastrahlen bis zu wenigen MeV verwendet werden. Diese Detektoren werden auch als hochreine Germaniumdetektoren (HPGe) oder hyperreine Germaniumdetektoren bezeichnet. Bevor die gegenwärtigen Reinigungstechniken verfeinert wurden, konnten Germaniumkristalle nicht mit einer Reinheit hergestellt werden, die ausreichte, um ihre Verwendung als Spektroskopiedetektoren zu ermöglichen. Verunreinigungen in den Kristallen fangen Elektronen und Löcher ein und beeinträchtigen die Leistung der Detektoren. Folglich wurden Germaniumkristalle mit Lithiumionen (Ge (Li)) dotiert, um einen intrinsischen Bereich zu erzeugen, in dem die Elektronen und Löcher die Kontakte erreichen und ein Signal erzeugen könnten.

Bei der Entwicklung der Germaniumdetektoren standen nur sehr kleine Kristalle zur Verfügung. Das Ergebnis war eine geringe Effizienz, und die Effizienz des Germaniumdetektors wird immer noch häufig in Bezug auf einen „Standard“ -Szintillationsdetektor mit 3 „x 3“ NaI (Tl) angegeben. Die Kristallwachstumstechniken haben sich seitdem verbessert und ermöglichen die Herstellung von Detektoren, die so groß oder größer als die allgemein erhältlichen NaI-Kristalle sind, obwohl solche Detektoren mehr als 100.000 € (113.000 $) kosten.

Wie 2012HPGe-Detektoren verwenden üblicherweise Lithiumdiffusion, um ein n herzustellen+ ohmscher Kontakt und Borimplantation zur Herstellung von ap+ Kontakt. Koaxialdetektoren mit einem zentralen n+ Kontakt werden als Detektoren vom n-Typ bezeichnet, während Detektoren vom p-Typ ap haben+ zentraler Kontakt. Die Dicke dieser Kontakte stellt eine tote Schicht um die Oberfläche des Kristalls dar, innerhalb derer Energieabscheidungen nicht zu Detektorsignalen führen. Der zentrale Kontakt in diesen Detektoren ist dem Oberflächenkontakt entgegengesetzt, wodurch die Totschicht in Detektoren vom n-Typ kleiner als die Totschicht in Detektoren vom p-Typ ist. Typische Totschichtdicken betragen mehrere hundert Mikrometer für eine Li-Diffusionsschicht und einige Zehntel Mikrometer für eine B-Implantationsschicht.

Der Hauptnachteil von Germaniumdetektoren besteht darin, dass sie auf Temperaturen von flüssigem Stickstoff abgekühlt werden müssen, um spektroskopische Daten zu erzeugen. Bei höheren Temperaturen können die Elektronen leicht die Bandlücke im Kristall überqueren und das Leitungsband erreichen, wo sie frei auf das elektrische Feld reagieren können, wodurch zu viel elektrisches Rauschen erzeugt wird, um als Spektrometer nützlich zu sein. Das Abkühlen auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff (77 K) reduziert die thermischen Anregungen von Valenzelektronen, so dass nur eine Gammastrahlenwechselwirkung einem Elektron die Energie geben kann, die erforderlich ist, um die Bandlücke zu überwinden und das Leitungsband zu erreichen. Das Abkühlen mit flüssigem Stickstoff ist unpraktisch, da der Detektor Stunden benötigt, um auf Betriebstemperatur abzukühlen, bevor er verwendet werden kann, und sich während des Gebrauchs nicht erwärmen darf. Ge (Li) -Kristalle konnten sich niemals erwärmen, da das Lithium aus dem Kristall herausdriften und den Detektor ruinieren würde. HPGe-Detektoren können sich bei Nichtgebrauch auf Raumtemperatur erwärmen.

Es wurden kommerzielle Systeme verfügbar, die fortschrittliche Kältetechniken (z. B. Pulsrohrkühlschrank) verwenden, um die Notwendigkeit einer Kühlung mit flüssigem Stickstoff zu beseitigen.

Cadmiumtellurid- und Cadmiumzinktellurid-Detektoren[edit]

Cadmiumtellurid (CdTe) – und Cadmiumzinktellurid (CZT) -Detektoren wurden für die Verwendung in der Röntgenspektroskopie und Gammaspektroskopie entwickelt. Aufgrund der hohen Dichte dieser Materialien können sie Röntgen- und Gammastrahlen mit Energien von mehr als 20 keV, die herkömmliche Sensoren auf Siliziumbasis nicht erfassen können, effektiv abschwächen. Die große Bandlücke dieser Materialien bedeutet auch, dass sie einen hohen spezifischen Widerstand haben und im Gegensatz zu Sensoren auf Germaniumbasis bei oder nahe Raumtemperatur (~ 295 K) arbeiten können. Mit diesen Detektormaterialien können Sensoren mit unterschiedlichen Elektrodenstrukturen für die Bildgebung und hochauflösende Spektroskopie hergestellt werden. CZT-Detektoren sind jedoch im Allgemeinen nicht in der Lage, die Auflösung von Germaniumdetektoren zu erreichen, wobei ein Teil dieses Unterschieds auf einen schlechten positiven Ladungsträgertransport zur Elektrode zurückzuführen ist. Zu den Bemühungen, diesen Effekt abzuschwächen, gehörte die Entwicklung neuer Elektroden, um die Notwendigkeit zu beseitigen, beide Polaritäten der Ladungsträger zu sammeln.[4][5]

Automatisierte Erkennung[edit]

Germaniumdetektoren[edit]

HPGe automatisiert mit einem kostengünstigen Open-Source-Autosampler.

HPGe automatisiert mit einem kostengünstigen Open-Source-Autosampler.

Die automatisierte Detektion für die Gammaspektroskopie in natürlichen Proben war traditionell teuer, da die Analysegeräte gegen Hintergrundstrahlung abgeschirmt werden müssen. Kürzlich wurde jedoch ein kostengünstiger Autosampler für diese Art von Analysen eingeführt.[6] Mit der Skriptsprache AutoIt kann es in verschiedene Instrumente verschiedener Hersteller integriert werden[7] für das Microsoft Windows-Betriebssystem.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]