User:Ivka k

2. POLUVODIČKI DETEKTORI

Poluvodički detektori su zapravo silicijske i germanijske poluvodičke diode.

Poluvodiči su materijali koji pri uvjetima sobne temperature ne vode električnu struju kao što to čine metali, ali povećanjem temperature ili primjenom jačeg električnog polja mogu postati vodljivi.

Kod njih je energetski procjep koji dijeli područje energija valentnih (vezanih u atomu) elektrona i vodljivih (slobodnih) elektrona po veličini negdje između onih kod izolatora i vodiča.

Ako elektron preskoči iz valentne vrpce u vodljivu, na njegovom će mjestu u valentnoj vrpci ostati šupljina. Ona je efektivno pozitivan naboj, pa u poluvodičima imamo dva nosioca naboja: elektrone i šupljine.

Pri normalnim uvjetima čisti poluvodič ima vrlo malo slobodnih elektrona i šupljina, ali mu se ta svojstva mogu bitno promijeniti dodavanjem određenih elementa. Ako su ti elementi iz V skupine periodnog sustava, koji imaju elektron viška (tzv. donori), dobivamo n-tip poluvodiča u kojem su većinski nosioci struje slobodni elektroni. Ako poluvodiču pak dodamo atome elementa iz III skupine (akceptori) oni će uzimati elektrone iz valentne vrpce i pri tome stvarati šupljine. Onda se on naziva poluvodičem p-tipa, a šupljine su mu većinski nosioci naboja.

Dioda je spoj p- i n-tipa poluvodiča. Osnovno svojstvo diode je da pri jednom polaritetu priključenog stalnog napona (+ na p-tip, - na n-tip) vodi struju praktički bez otpora, dok promjenom polariteta napona daje vrlo veliki električni otpor.

Poluvodički detektori su najveće diode. Oni rade u zapornom režimu (- na p-tip, + na n-tip) tako da dioda (detektor) ima veliki električni otpor. Primjenjuju se visoki naponi (~ 2000 V) koji će povlačiti šupljine u p-području dalje od spoja a prema p-kontaktu, i slično za elektrone u n-području. Tako se između p- i n-poluvodiča stvara široko područje osiromašenja naboja, u kojem su prisutni samo manjinski nosioci naboja kojih je vrlo malo (šupljine u n-tipu i elektroni u p-tipu). Maksimalni primjenjeni napon je ograničen otpornošću poluvodiča.

Ako kroz područje osiromašenog naboja prođe zračenje ono će stvarati parove elektron-šupljina. Ti se parovi pod utjecajem snažnog električnog polja razdvajaju; elektroni se odvode prema n-tipu poluvodiča a šupljine prema p-tipu. Ovo gibanje vodi do naglog porasta struje tj. do električnog impulsa koji se može detektirati ako se na obje strane PN spoja postave elektrode. Tako dobivamo podatke o energiji koju je upadno zračenje izgubilo u osiromašenom sloju, i o trenutku kada je ušlo u diodu.

Dakle, princip rada poluvodičkog detektora analogan je radu ionizacijske komore. Važno je napomenuti da je osjetljivi volumen detektora samo područje osiromašenja naboja a ne cijela dioda, pa je poželjno da to područje bude što veće.

Najpopularniji poluvodički detektori su germanijevi (Ge) i silicijevi (Si) detektori. Ge detektori su vrlo pogodni za detekciju X i γ fotona, zbog većeg atomskog broja Z. Si detektori se koriste za nabijene čestice te niže energetsko X-zračenje. Neki od manje upotrebljavanih su CdTe i HgI2 detektori. Većina današnjih tipova poluvodičkih detektora mora se za vrijeme rada hladiti na temperature tekućeg dušika (77K), a neki stariji tipovi se nikada ne smiju zagrijati do sobne temperature.

3. GERMANIJSKI DETEKTOR

Za detekciju gamma zračenja germanijski je detektor pogodniji od silicijskog zbog većeg atomskog broja germanija (ZSi=14, ZGe=32). (Udarni presjek gamma zračenja proporcionalan je atomskom broju mete). Međutim, zbog manjeg energetskog procjepa, potrebno ga je ohladiti na niske temperature (77K). Na sobnim temperaturama leakage current je neprihvatljivo visoka.

Ranije su se upotrebljavali Ge(Li) detektori, germanijski detektori s intrinsičnim slojem dobivenim vučenjem litija. Intrinsično područje dobivalo se vučenjem litija kroz germanij p-tipa tako da se Li+ ioni vežu na akceptorska stanja te ih 'neutraliziraju'. Tako dobiven sloj je kompenziran i ima svojstva kao germanij bez akceptorskih i donorskih stanja. Sada se cijeli kompenzirani sloj može upotrebljavati kao osjetljiv volumen, pa se postižu relativno debeli detektorski slojevi (preko 3 cm). Problem s Ge(Li) detektorima je što ih je potrebno neprekidno držati na temperaturi tekućeg vodika.

Razvojem tehnologije proizvodnje monokristala germanija visoke čistoće zamjena im je pronadena u vidu HPGe (High Purity Germanium) detektorima. Koncentracija nečistoća u njima je manja od 1010 atoma/cm3. Prednost im je da se mogu držati na sobnoj temperaturi pa po potrebi hladiti (kada je primjenjen napon). Odlikuje ih velika razlučivost – primjerice, pri snimanju istog spektra NaI detektor pokazao je razlučivost od 8%, a HPGe od čak 0.15%.