A félvezető detektorok

A szcintillációs detektorok legfőbb előnye a gázos számlálókkal szemben az, hogy a szcin-tilláló anyagok szilárd, vagy folyékony halmazállapotuk miatt lényegesen, mintegy három nagyságrenddel nagyobb sűrűségűek, mint a gázok. Ezért a sokkal nagyobb fajlagos ener-giaveszteség miatt kisebb méretű detektorokat lehet készíteni belőlük, ugyanannak a su-gárzásnak a megfigyelésére. Hátrányuk viszont, hogy a szcintillációs folyamatok bonyo-lultsága és összetett volta miatt az energiafelbontás sokszor nem kielégítő. Egy fotoelektron keltéséhez (amely az információt a fotoelektron-sokszorozóban hordozza) összesen tipikusan 100 elektronvolt energiát kell leadni a detektálandó részecskének. Ez azt jelenti, hogy csak kevés, általában néhány ezer ilyen elektron keletkezik, amelyek sta-tisztikus ingadozása viszonylag nagy. A felbontást csak olyan folyamatban lehet jelentősen javítani, ahol az információhordozó keltésére a szcintillációnál lényegesen kevesebb ener-giát kell egyes esetekben fordítani. Ugyanakkor mindenképpen meg kell őrizni az érzékeny detektortérfogat nagy sűrűségét.

A félvezető anyagokban a radioaktív részecskék elektron-lyuk párokat hoznak létre. Ez annyiban hasonlít a gázokban végbemenő ionizációs folyamatokhoz, hogy itt is töltéshor-dozó-párok jönnek létre. Azonban amíg a gázokban egy ionpár létrehozásához tipikusan 30 eV energiára van szükség, addig a félvezetőkben az elektron-lyuk párokat a töltött részecs-ke már 3 eV-tal létrehozza. Ez az alapvető oka annak, hogy a félvezető detektorok energia-felbontása sugárzó részecskékre jelentősen jobb, mint a többi detektoré.

2.32. ábra: Szigetelők és félvezetők sávszerkezetének összehasonlítása

A félvezetők olyan kristályok, amelyben a valenciasáv és a vezetési sáv között lévő til-tott energiatartomány lényegesen kisebb, mint a szigetelő anyagoknál: szemben az ottani

~5 eV-tal, a félvezetők tiltott sávja ~1 eV körül van (2.32. ábra). A 2.4. táblázat a radioak-tív részecskék detektálásában leginkább elterjedt szilícium és a germánium félvezetők leg-fontosabb paramétereit foglalja össze.

TULAJDONSÁG SZILÍCIUM GERMÁNIUM

Rendszám 14 32

Sűrűség 2,33 (g/cm³) 5,32 (g/cm³)

Tiltott sáv szélessége (300 K) 1,115 eV 0,665 eV

elektron-lyuk pár energiája (77 K) 3,76 eV 2,96 eV

elektronmobiltás [v/E], (300 K) [1350 (cm/s)]/[1 (V/cm)] [3900 (cm/s)]/[1 (V/cm)]

lyukmobiltás [v/E], (300 K) [480 (cm/s)]/[1 (V/cm)] [1900 (cm/s)]/[1 (V/cm)]

2.4. táblázat: A szilícium és germánium félvezetők legfontosabb paraméterei

A tiszta félvezetőben csak termikusan gerjesztett töltéshordozók mozoghatnak, ha a félvezetőt erősen lehűtjük, nincsenek mozgásképes töltéshordozók az anyagban. Gyökere-sen megváltoznak azonban a félvezető tulajdonságai, ha a négy vegyértékű szilíciumhoz öt, illetve három vegyértékű szennyezőt adagolunk egészen kis, 2 ppm körüli mennyiség-ben. Az első esetben elektron töltéshordozók jelennek meg azáltal, hogy a szilícium helyén ülő szennyező egy kevéssé kötött elektronnal rendelkezik, amely könnyen elmozdulhat. A másodikban a három vegyértékű, szennyező atomok körül egy elektron hiányzik, ami pozi-tív töltésű lyukként kevéssé van lokalizálva. A kialakuló viszonyokat a 2.33. ábra szemlél-teti. A germániumban teljesen hasonló viszonyok alakulnak ki hasonló szennyezésekre.

2.33. ábra: Az öt vegyértékű foszforral szennyezett n-típusú félvezetőben és a három vegyértékű borral szennyezett p-típusú félvezetőben kialakuló kristály-szerkezet és energiaviszonyok

2.34. ábra: N- és p-félvezetők közötti átmenetnél kialakuló potenciálviszonyok szemléltetése (Δ a határon kialakuló potenciálkülönbség). A bal oldali ábrarész azt mutatja, amikor nincsen külső feszültség a félvezetőkön, a jobb oldali azt, amikor az átmenetet záróirányban (tehát a p-típusúra a

pozitív, n-típusúra a negatív pólust téve) előfeszítjük

Amennyiben egy n- és egy p-típusú félvezetőt egymáshoz illesztünk,⁷ akkor az átme-netnél a potenciálviszonyok megváltoznak. Ennek oka az, hogy az n-rétegből elektronok, a p-rétegből lyukak diffundálnak át a másik típusú félvezetőbe egészen addig, amíg a kiala-kuló tértöltések által megváltoztatott potenciál a további diffúziót meg nem akadályozza.

7 A rétegek egyszerű egymás mellé tétele, vagy összeszorítása nem elegendő, mert ilyenkor mindig marad olyan hézag, amely miatt a töltéshordozók vándorlása nem fog bekövetkezni. A gyakorlatban különböző rétegekben, de egyetlen kristályban, hozzák létre a p- és az n-típusú réteget.

A két réteg között olyan tartomány jön létre, amelyben nincsenek töltéshordozók. A 2.34. ábra mutatja a kialakuló potenciálviszonyokat.

A határrétegben kialakuló kiürített, töltéshordozókat nem tartalmazó réteg nagymér-tékben megnövelhető, ha a félvezető átmenetet záróirányban előfeszítjük. Ha ebben a ré-tegben egy nagy energiájú töltött részecske töltéshordozó-párokat hoz létre, akkor az ott lévő elektromos tér a réteget kiüríti, és az előfeszítő elektródára kötött munkaellenálláson elektromos impulzus keletkezik. Ez a félvezető detektorok működésének az elve.

A gyakorlatban azonban beigazolódott, hogy 2–3 mm vastagságú kiürített rétegnél vastagabbat további feltételek teljesítése nélkül nem lehet elérni. Ilyen vastagság pedig legfeljebb arra elég, hogy a nem túlságosan nagy energiájú töltött részecskék leadják benne a teljes energiájukat. A nagy áthatolóképességű γ-sugarak, vagy nagy energiájú elektronok detektálására ilyen vastagságok nem elegendőek.

A fejlesztési munkában kiderítették, hogy nagy térfogatú, vastag kiürített rétegeket csak teljesen tiszta, szennyezések nélküli kristályokban lehet létrehozni. A szennyezések-kel szemben megkövetelt anyagtisztaság 10^–12, ha több cm vastagságú átmenetet kívánunk létrehozni. Vastag, kiürített réteg létrehozására két út kínálkozik. Az egyik olyan kristályo-kat állít elő, amelyekben a szennyezések részaránya az említett alacsony szinten van. Eze-ket a detektorokat HPGe- (high-purity germanium) detektoroknak hívják. A másik megol-dás a szennyezéseket lítiumatomoknak a kristályon keresztül való driftelésével kompenzál-ja. Ezek a Si(Li), illetve a Ge(Li) detektorok.

A félvezető detektorok alapvető jellemzőit az alábbiakban foglaljuk össze.

 A félvezető detektorok a sugárzó részecske által keltett összes elektron-lyuk párt elektromos tér segítségével begyűjtik. Az elvi hasonlóság miatt ezeket szilárdtest ionizáci-ós kamráknak tekinthetjük. A detektorok jele kicsi, de kiváló tulajdonságú előerősítőkkel a jel kezelhető anélkül, hogy az energiafelbontás lényegesen romolna.

 A félvezető detektorok igen jó felbontásúak. Ennek a fő oka az, hogy egy elektron-lyuk pár keltéséhez mintegy 3 eV kell csak. A nagyszámú töltés miatt a statisztikai pontos-ság nagy, és a felbontás kiváló.

 A germániumkristályokból nagyméretű, akár 1000 cm3 térfogatú detektorok is ké-szíthetők. Ezek a detektorok kiválóan alkalmasak γ-sugarak mérésére, hiszen a germánium rendszáma is magas (Z=32). A szilíciumból készült detektorok érzékeny térfogata általá-ban kicsi, néhányszor 10 mm3-től legfeljebb a néhány száz mm3-ig terjed. Ráadásul a rendszám is alacsony (Z=14), így a nagy energiájú γ-kvantumok észlelésére alkalmatlanok.

Ugyanakkor kiválóan alkalmazhatók töltött részecskék (elektronok és nehéz töltött részek), valamint alacsony energiájú Röntgen-kvantumok detektálására.

 A germániumdetektorokat működés közben le kell hűteni a cseppfolyós nitrogén hőmérsékletére (77 K). Az Si-detektorok hűtése nem kötelező, de a hűtött detektorok fel-bontása lényegesen jobb. A felbontás 2 keV körül van alacsony energiájú röntgensugarak-ra.

 A félvezető detektorok gyengébb időzítési tulajdonságokat mutatnak, mint a leg-gyorsabb szcintillátorok (2.3. táblázat). Ugyanakkor kicsi szilíciumdetektorokkal nanosecundum alatti időzítés is elérhető.

A γ-sugarak nagy térfogatú germánium félvezető detektorokkal való megfigyelésénél pontosan ugyanazok a folyamatok zajlanak le, mint amelyeket a szcintillációs

detektorok-nál, különösen a 2.30. és 2.31. ábrákkal kapcsolatban megtárgyaltunk. A különbség első-sorban a sokkal jobb energiafelbontásban van.

2.35. ábra: A ¹³⁷Cs preparátum NaI(Tl) és HPGe detektorral felvett γ-spektrumának összehasonlítása. A forrás egyetlen 662 keV energiájú γ-kvantumot bocsát ki (a nívósémát lásd 2.7.

ábra)

A 2.35. ábrán a ¹³⁷Cs preparátum nátriumjodiddal és nagy tisztaságú germánium félve-zető detektorral felvett spektrumait hasonlítjuk össze. A két spektrum jellege teljesen azo-nos. A germániumdetektor felbontása 3 keV körül van, szemben a nátriumjodid 50 keV, 7% körüli felbontásával.

A félvezető detektorok igen jó, a szcintillációs detektorokhoz képest általában egy nagyságrenddel jobb felbontása jelenti a lényeges különbséget a két detektortípus között. A spektroszkópiai alkalmazásoknál sokszor olyan részletek válnak nyilvánvalóvá a jó felbon-tású detektorokkal, amelyeket sejteni sem lehetett más spektrumokból. Ugyanakkor min-daz a nehézség, bonyodalom, amelyeket a szcintillációs detektoroknál megvilágítottunk, lényegében azonos formában jelentkezik itt is: a spektrumok értelmezése ugyanúgy nehéz feladat az azonos fizikai háttér ismeretében mint ott, a hatásfok, térszög problémája is ha-sonlóan jelentkezik. Itt azonban bizonyosan előny, hogy a teljes energiacsúcs területe – a jobb felbontás miatt – egyszerűbben meghatározható.