Exposicion de Radioquimica
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DETECTORES
SEMICONDUCTORES
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Señal
eléctrica
enel detector
e-• Cuando los
secundarios ya no tienen energíasuficiente para ionizar otros átomos…1) Detectores gaseosos: Toda la carga liberada (e- e iones positivos)se mueve libremente en el gas y se recolecta en ánodo y
cátodo.e-2) Detectores
semiconductores: loslibres producen excitacioneselectrón-hueco (e--h+) que se mueven libremente en el
sólido y se recolectan en ánodo y cátodo.
e-3) Detectores de centelleo: los
libres producen excitaciones quemás tarde se desexcitan produciendo luz de centelleo
que setransforma en una señal eléctrica gracias a un fotomultiplicador.
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Estructura
debandas• Propiedades eléctricas de los sólidos debidas
a unaestructura
de bandas.
• Energía del gap a 300 K: Ge →Eg= 0.66 eV
Si →Eg= 1.11 eV
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El Si y el Ge• El C,
elpueden
Si y el Ge tienen 4 electrones en su ultima capa:completarla formando
4 enlaces
covalentes.
2 24s
4p3s2
3p22s2
2p2
e-• Si un
se mueve a la capa de
conducción deja un huecoy ambos se pueden
‘mover’.
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El Si y el Ge• Movimiento de electrones y huecos en el sólido:
• Material puro ⇒ nº huecos (v) = nº de electrones (c)
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Semiconductores
dopados• El material semiconductor puede ser dopado con
impurezas e-que aporten
extra o huecos extra. Se habla entonces desemiconductor tipo n o tipo
p.En el proceso de dopado, los átomos con valencia 3 o 5 son introducidos en la red cristalina. En el caso de los átomos de valencia 5 (P,As,Sb), cuatro de los electrones forman enlaces covalentes con los átomos vecinos de Si o Ge. El quinto se puede mover libremente a traves de la red cristalina y foma un conjunto de estados discretos "donores" justo bajo la banda de conducción. Debido a que existe un exceso de transportadores de carga negativa, este material se llama semiconductor de tipo-n. Por otro lado, se puede usar átomos de valencia 3, los cuales intentan formar 4 enlaces covalentes, produciendo un exceso de vacantes. Estos forman estados "aceptores" justo sobre la banda de valencia y el material recibe el nombre de semiconductor tipo-p debido a que los conductores dominantes de carga son las vacantes cargadas positivamente.
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Semiconductores
dopados
SiSi Si Si Si
PSiSi Si Si
Si P Si Si Si
PSi Si Si Si
SiSi Si Si Si
Electrón en exceso (-) Átomos de Fósforo sirven de dopante tipo nÁtomos ‘donantes’ proporcionan
electrones en exceso para formar Silicio tipo n
Conduction Band (CB)
Valence Band (VB)
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La unión
pn• El material semiconductor puede ser dopado con impurezas e-que
aportenextra o huecos extra.
Se
habla
entonces
desemiconductor
tipo n o tipo
p.• La unión pn:
-hueco
s
+
⇒ se crea⇒ se crea
e-• Se difunden
que rellenan
un campouna región:
eléctrico que detiene esta difusión‘zona de agotamiento’ o ‘zona de carga espacial’ (z.c.e.)donde no hay electrones ni huecos en exceso.
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En las proximidades de la unión p-n, los conductores de carga son neutralizados, creando una región denominada zona de deplexión. La difusión de electrones de la región tipo-n deja atrás estados ionizados donores fijos, mientras que en la región tipo-p quedan estados aceptores fijos cargados negativamente. Se crea por tanto un campo eléctrico que finalmente impide que la difusión continúe.Se forma una unión p-n típica de un diodo.
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La unión
pn• La radiación incidente puede crear pares e-h en la z.c.e.: elcampo elétrico los sacará de la z.c.e. (e-
hacia n yh+
hacia p).
• Podemos ayudar a recolectar esta carga y formar una señal
polarizando la unión pn aplicando el polo – a la zona p y el + a la zona n: polarización inversa.
• La z.c.e. aumenta hasta que el
campo en ella es igual al de la batería
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La unión
pnendetectores reales•
En los detectores la unión pn se realiza en el contacto eléctrico, no se usan 2 trozos de Si o de Ge uno p y otro n. Laz.c.e. se extiende hacia el volumen del cristalde Si o Ge que es de base p o n.
semiconductor
•
Los contactos se hacen a través de una p
+n+
zona fuertemente dopada
o que seconecta luego con el metal, no
soncontactos óhmicos directos
•
A T ambiente se producen pares e-h en Ge debido a lopequeño que es el gap → corriente de fuga. Para evitarla deben operar a T de LN2 (77 K).
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Detectores de Germanio (HPGe)• El cristal semiconductor será Ge de alta pureza de
sustrato tipo p o tipo n.• Perfectos para detectar radiación γ: Alto Z (ZGe=32, ZSi=14)
• Se utilizan geometrías tanto planares como coaxiales, y contactos de difusión de Li (n+) o de implantación de iones (p+).
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Detectores de
Germanio (HPGe)• Para detectar rayos-x o γ de baja energía interesa una
ventana de entrada muy fina: el contacto ionico (p+) debeestar delante. Para que la z.c.e. se extienda desde ahí hacia el cristal de Ge, este debe ser tipo n.
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Detectores de
Germanio (HPGe)• Refrigeración a través de un
criostato.
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Detectores de
Germanio (HPGe)• Refrigeración a través de un
criostato.
![Page 16: Exposicion de Radioquimica](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022051519/563db841550346aa9a9208a3/html5/thumbnails/16.jpg)
Eficiencia
• Eficiencia.
de losHPGe
• La ef.intrínseca para radiación γ de un detector de Ge esmucho menor que la de cualquier centelleador inorgánico.
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Resolución
energética
de los
HPGe• Resolución energética: del orden del 0.15% a 1.33
MeV, acomparar con NaI (8% a 1.33 MeV). Además la proporción de fotopico a Compton también es mucho mayor en Ge.
Energy (keV)
FWHM (keV)
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Detectores
de Silicio•
El cristal semiconductor será Si, mucho más ligero que el Ge y con menor Z ⇒ menor eficiencia de fotopico para rayos γ,
e- y e+.
pero mayor energía crítica para•
Perfectos para detectar partículas cargadas con graneficiencia y resolución.Mismos principios físicos de detección que los detectores deGe, pero adecuados para partículas cargadas (y rayos X).Geometrías muy diferentes a los Ge: mucho más finos, se distinguen entre detectores contínuos (planares) y detectores de bandas (strips)Al ser tan finos (5-1500 µm) cobra importancia el grosor del contacto → ‘dead layer’ (0.1 µm)
•
•
•
![Page 19: Exposicion de Radioquimica](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022051519/563db841550346aa9a9208a3/html5/thumbnails/19.jpg)
Detectores
deSilicio contínuos• Oblea contínua de Si con contactos contínuos
cubriendo todala superficie a ambos lados. Los contactos son porimplantación deplanar.
iones
o difusión
y sedisponen en geometría
Si (n)
Si (n or p)
Detector de Si de barrera de superficieContactos por difusión de Au y Al
Detector de Si de iones implantadosNecesario proceso de‘annealing’ (templado)
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la posición del impacto en 1D con pre
Detectores
Silicio
de bandas• Se utiliza una oblea contínua de Si, pero los contactos
sehacen en forma de banda (strips). Si tienen bandas a un único lado se llaman SSSD (Single-Sided Si Strip Detector). Detectan
cisión milimétrica.
![Page 21: Exposicion de Radioquimica](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022051519/563db841550346aa9a9208a3/html5/thumbnails/21.jpg)
Detectores
Silicio
debandas• Si tienen bandas a ambos lados se llaman DSSD
(Double-SidedSilicon Strip Detector). Detectan la posición del impacto en 2Dcon precisión milimétrica.
![Page 22: Exposicion de Radioquimica](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022051519/563db841550346aa9a9208a3/html5/thumbnails/22.jpg)
APD’s
y SiPM’s• APD: Fotodiodo de
Avalanchap+-
- 1er electrón producido por efecto fotoeléctrico en el contactoSe acelera y crea pares e-h que a su vez se aceleran en un campo eléctrico muy grande debido a la corta distancia entre los electrodos y producen nuevos pares e-h…: se produce una avalancha
Área activa: 10x10 mm2
Eff. Cuántica: 85%Ganancia:100 a 200V (m. proporcional)105-106 a 1500V (m. Geiger)
- - -
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APD’s
y SiPM’s• APD: Fotodiodo de
Avalanchap+-
- 1er electrón producido por efecto fotoeléctrico en el contactoSe acelera y crea pares e-h que a su vez se aceleran en un campo eléctrico muy grande debido a la corta distancia entre los electrodos y producen nuevos pares e-h…: se produce una avalancha
- En modo proporcional la gananciadepende
fuertemente
de latemperatura
reverse voltage (V)
![Page 24: Exposicion de Radioquimica](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022051519/563db841550346aa9a9208a3/html5/thumbnails/24.jpg)
APD’s
y SiPM’s• Fotomultiplicadores de Silicio (SiPM, MPPC,
SPAD…)- -
Matriz de APD’s funcionando en modo GeigerSirve para contar fotones individuales (cada APD dispara a la llegada de un fotón).
- APD’s de 20 a 100 µm
(matrices de 1000 APD’s por mm2)
![Page 25: Exposicion de Radioquimica](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022051519/563db841550346aa9a9208a3/html5/thumbnails/25.jpg)
n+
silicon
– donor
states
SiSi Si Si Si
PSiSi Si Si
Si P Si Si Si
PSi Si Si Si
SiSi Si Si Si
Excess electron (-) Donor states are formed just below the conduction band
Phosphorus atom serves as n-type dopantDonor atoms provide excess
electrons to form n-type silicon.
Conduction Band (CB)
Valence Band (VB)
33
![Page 26: Exposicion de Radioquimica](https://reader034.fdocuments.es/reader034/viewer/2022051519/563db841550346aa9a9208a3/html5/thumbnails/26.jpg)
p+
silicon
– acceptor
states
SiSi Si Si Si
Si SiSi B Si
Si Si SiSi B
BSi Si Si Si
SiSi Si Si Si
Acceptor states are formed just above the valence band+ Hole
Acceptor atoms provide a deficiency of electrons to form p-type silicon.
Boron atom servesas p-type dopant
Conduction Band (CB)
Valence Band (VB)
34