Félvezetõ detektorok és alapvetõ tulajdonságaik

Félvezetõ detektorok és alapvetõ tulajdonságaik

Félvezetõ detektorokat (semiconductor detectors) félvezetõ anyagok egykristályaiból készítenek. Mûködési elvük a szilárd anyagok sávszerkezetével magyarázható. Elsõsorban a germánium és szilícium detektorok terjedtek el, de vizsgálják további félvezetõk anyagok (pl. CdTe, HgI₂, GaAs, Bi₂S₃, GaSe) (szobahõmérsékleten történõ) alkalmazhatóságát is. A Ge és Si alapvetõ tulajdonságai a következõk.

Tulajdonság/Elem	Ge	Si
Rendszám	32	14
Relatív atomtömeg	72.61	28.09
Sûrûség 300 K hõmérsékleten [g/cm^–3]	5.33	2.33
Belsõ ellenállás 300 K hõmérsékleten [Wcm]	45	2.3·10⁵
Tiltott sáv szélessége [eV]
300 K hõmérsékleten	0.67	1.12
0 K hõmérsékleten	0.79	1.21
Elektron-lyuk pár keltés energiája [eV]
300 K hõmérsékleten	-	3.62
77 K hõmérsékleten	2.96	3.76
Saját töltéssûrûség 300 K hõmérsékleten [cm^–3]	2.4·10¹³	1.5·10¹⁰

Az adatok legfontosabb következményei:

A rendszám és sûrûség miatt a Ge detektorok belsõ hatásfoka nagyobb a Si detektorok hatásfokánál (és kisebb a NaI(Tl) detektor hatásfokánál), tekintettel arra, hogy a g -sugárzás kölcsönhatási valószínûség az említett mennyiségekkel nõ.

A töltéshordozók termikus gerjesztésének (szivárgási áram és fluktuációjának) csökkentése érdekében a Ge detektor csak alacsony hõmérsékleten használható. A Ge detektorokat cseppfolyós nitrogénnel lehûtik 77 K (kb. –200 °C) hõmérsékletre, amikor a szivárgási áram 10^–9 és 10^–12 A közötti. Ritkábban elektromos hûtõrendszer is használatos. A detektor felületét ugyanakkor meg kell védeni a kondenzációtól, ezért a detektort vákuumba helyezik.

Egy elektron-lyuk pár létrehozásához szükséges energia Ge-ban viszonylag kicsi (~3 eV). Ez az érték kb. 100-szor kisebb, mint pl. a NaI(Tl) szcintillációs detektorok megfelelõ jellemzõje, az 1 fotoelektron létrehozásához szükséges energia. Azonos energiaátadás esetén tehát 2 nagyságrenddel több töltéshordozó keletkezik Ge-ban, mint NaI(Tl)-ban. A töltéshordozók számának relatív statisztikus ingadozása így lényegesen kisebb lesz, ami a detektor sokkal jobb energiafelbontását eredményezi.

Egy elektron-lyuk pár létrehozásához szükséges energia független a g -sugárzás energiájától (!). Ha a detektor elegendõ nagyságú ahhoz, hogy az összes elsõdleges töltött részecske energiáját elnyelje, akkor a keletkezõ elektromos jel nagysága a g -sugárzás energiájának függvényében, vagyis a detektor válaszfüggvénye lineáris.

A g -sugárzás mérésére jelenleg a Ge tûnik a legmegfelelõbb félvezetõ anyagnak, ezért a továbbiakban ezzel foglalkozunk. Germániumban az elektronok és a lyukak telítési driftsebessége nagyjából azonos 77 K hõmérsékleten, és 10⁷ cm/s nagyságrendû. Egy tipikus nagyságú detektorban néhányszor 10 mm távolságot tesznek meg a töltéshordozók, ami legfeljebb néhányszor 100 ns idõ alatt megtörténik, tehát gyors válasz keletkezik.
A 60-as években még nem tudtak elegendõen tiszta Ge alapanyagot gyártani, így a félvezetõ kristály elektromos vezetését a szennyezõk tulajdonságai határozták meg, és a rekombináció is jelentõs volt. A szennyezõ anyagok okozta kedvezõtlen tulajdonságokat ellentétes hatású adalékanyag bevitelével, doppolással kompenzálták. Így készültek a Ge(Li) detektorok. A hetvenes évek végétõl már rendelkezésre áll megfelelõ (csúcs)technológia, amivel extrém tisztaságú Ge alapanyag készíthetõ korszerû félvezetõ detektorok gyártásához. Nagyon tiszta (< 10¹⁰ szennyezõ atom/cm³) és hûtött félvezetõ kristály saját vezetõképessége már elegendõen kicsi ahhoz, hogy a g -sugárzás hatására keletkezett elektromos jel (impulzus) jól mérhetõ legyen, ugyanakkor ellenállása pedig elegendõen nagy ahhoz, hogy megfelelõen nagy elektromos teret lehessen alkalmazni a összes, keletkezett töltéshordozó gyors összegyûjtéséhez. Ezen detektorok a nagytisztaságú Ge (high purity Ge, HPGe) vagy sajátvezetésû Ge detektorok. Az aktív térfogat növelése érdekében különbözõ detektor konfigurációkat készítenek. Viszonylag nagy aktív térfogata és kis kapacitása miatt a koaxiális detektorok a legelterjedtebbek. Egy HPGE detektor vázlatos rajzát az ábra mutat.