RIVELATORI
RIVELATORIAASEMICONDUTTORE
SEMICONDUTTORE
Dal punto di vista della conducibilità elettrica i materiali si possono classificare in :
(a) Metalli: banda di valenza (BV) e banda di conduzione (BC) sono sovrapposte (Eg = 0 eV)
(b) Semiconduttori: le bande sono separate da una energia Eg ~ 1 eV.
Basta quindi il moto di agitazione termica (T ambiente) per avere cariche libere in BC
(a) Isolanti: le bande sono molto più separate (Eg ~ 6 eV), quindi a temperatura ambiente ho
assenza di cariche libere in BC
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SEMICONDUTTORE
In un semiconduttore intrinseco (puro) partecipano alla conduzione sia elettroni in
banda di conduzione (BC), sia lacune in banda di valenza (BV).
Il numero di elettroni liberi in BC è uguale al numero di lacune in BV: ni=pi
Si: Eg ~ 1.1 eV ni=pi (300K) ~1.5 x 1010 cm-3
Ge:Eg ~ 0.7 eV ni=pi (300K) ~2.4 x 1013 cm-3
Quando nel cristallo sono presenti delle impurezze, o opportuni droganti, non si ha più
l’equivalenza tra il numero di portatori di carica positivi (lacune) e negativi (elettroni).
Agendo sulla struttura/composizione del cristallo è quindi possibile ottenere
semiconduttori di tipo n, e semiconduttori di tipo p.
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SEMICONDUTTORE
Semiconduttore di tipo n
Il Si è un elemento tetravalente (IV gruppo
della tavola degli elementi). Se un atomo di Si
viene sostituito con un elemento pentavalente
(P, As, ..) si avrà un elettrone non impegnato
nel legame covalente che può essere facilmente
rimosso e partecipare dunque alla conduzione
L’introduzione dell’elemento pentavalente nel cristallo di Si altera lo schema dei livelli,
aggiungendo un livello energetico (livello di donatore) nel gap proibito tra BV e BC. Il gap
energetico tra livello di donatore e la banda di conduzione è sufficientemente piccolo da
consentire il passaggio di elettroni dal livello di donatore alla BC per eccitazione termica. Tali
elettroni liberi contribuiranno quindi alla conduzione.
In un semiconduttore di tipo n gli elettroni sono i portatori
maggioritari di carica
ni>pi, (ni= numero di elettroni liberi pi= numero di lacune libere)
Gap donatore - BC (eV)
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SEMICONDUTTORE
Semiconduttore di tipo p
Il Si è un elemento tetravalente (IV gruppo
della tavola degli elementi). Se un atomo di Si
viene sostituito con un elemento trivalente (B,
Al, ..) il sistema tenderà a raggiungere una
situazione di maggiore stabilità catturando un
elettrone per completare i legami. Si libera così
una lacuna che contribuisce alla conduzione
L’introduzione dell’elemento trivalente nel cristallo di Si altera lo schema dei livelli,
aggiungendo un livello energetico (livello do accettore) nel gap proibito tra BV e BC. Il gap
energetico tra livello di accettore e la banda di valenza è sufficientemente piccolo da
consentire il passaggio di elettroni dalla BV al livello di accettore per eccitazione termica. Le
lacune lasciate in BV contribuiranno quindi alla conduzione.
In un semiconduttore di tipo p le lacune sono i portatori
maggioritari di carica
pi>ni, (ni= numero di elettroni liberi pi= numero di lacune libere)
Gap accettore - BV (eV)
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SEMICONDUTTORE
Dal punto di vista concettuale, il principio di funzionamento di un rivelatore a semiconduttore
è analogo a quello di una camera a ionizzazione: la radiazione che incide nel cristallo
produce coppie elettroni/lacune, che vengono raccolte mediante un campo elettrico.
Il numero N di cariche liberate dipende ancora dall’energia E della particella incidente
tramite la relazione:
E
N
w
Se in un gas l’energia per creare una coppia di cariche abbiamo
visto essere 30-35 eV, in un semiconduttore è 10 volte inferiore
w 3 eV
Questo fa sì che la risoluzione di un rivelatore a semiconduttore sia migliore di quella di un
rivelatore a gas (vedi poi)
Per la rivelazione (migrazione delle cariche prodotte dalla radiazione incidente) non è però
sufficiente l’uso di contatti ohmici ai capi di una barretta di cristallo semiconduttore data
l’elevata corrente di buio che si produrrebbe. E’ quindi necessario:
- Lavorare a basse temperature (es. azoto liquido: 77 K)
- Usare contatti non ohmnici: giunzione p-n
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Giunzione p-n
I rivelatori a semiconduttore sfruttano le proprietà che si vengono a creare in prossimità
di una giunzione tra un semiconduttore di tipo n e uno di tipo p
Situazione di non equilibrio, in quanto gli
elettroni tendono a muoversi, per
diffusione, dalla zona n alla zona p, dove
sono in numero notevolmente inferiore.
La situazione è la stessa per le lacune, che
diffonderanno dalla zona p alla zona n.
- - - - + + + + +
p
n
- - - - + + + + +
Cariche libere
Diventa così altamente probabile la ricombinazione elettrone lacuna, nelle
vicinanze della giunzione: si crea cioè una regione di svuotamento
caratterizzata dall’assenza di cariche libere.
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Giunzione p-n
Gli elettroni e le lacune, nel loro moto, lasciano dietro di sé gli ioni positivi degli atomi
donori e gli ioni negativi degli atomi accettori (cariche fisse). Si crea così un campo
elettrostatico dovuto a queste cariche, immobili nel reticolo che si oppone al moto di
diffusione. Si raggiunge così una situazione di equilibrio.
+
p
Eb
n
Regione di svuotamento
La regione di svuotamento è caratterizzata dall’assenza di cariche libere (non si ha quindi
conduzione). Se in tale regione passa una radiazione ionizzante si liberano cariche che
migrano per effetto del campo elettrico di barriera e possono essere raccolte originando
un segnale elettrico.
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Giunzione p-n
Il campo elettrico di barriera che si genera naturalmente alla giunzione non è
sufficientemente intenso da garantire la completa raccolta di cariche che si liberano a
seguito del passaggio della radiazione (effetti di ricombinazione sarebbero dominanti)
Inoltre lo spessore della regione di svuotamento è molto piccolo (pochi micrometri), e
conseguente è limitata la probabilità di interazione della radiazione ionizzante al suo interno
(specialmente per i raggi gamma)
Questi problemi si risolvono polarizzando inversamente la giunzione
E
Il campo elettrico esterno accresce il
campo di barriera con un conseguente
allargamento della regione di
svuotamento
e
una
maggiore
efficienza di raccolta delle cariche
prodotte dalla radiazione.
+
p
n
Regione di svuotamento
-
+
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Giunzione p-n
La giunzione polarizzata inversamente è una sorta di camera a ionizzazione in cui non
solo è migliore la risoluzione, ma anche l’efficienza, (es. lo Z è più elevato che nei gas,
quindi la sezione d’urto per effetto fotoelettrico è maggiore).
p
i
Intrinsic semiconductor
n
Il volume attivo di un rivelatore a
semiconduttore può essere ulteriormente
aumentato usando una giunzione p-i-n, ossia
ponendo un semiconduttore intrinseco (puro)
tra i due semiconduttori drogati
Notare che una giunzione non può essere realizzata semplicemente “pressando” due pezzi
di materiale diversi (n e p) a contatto (il gap sarebbe molto maggiore delle distanze interatomiche). Una giunzione si realizza quindi in genere partendo da un singolo cristallo e
variando opportunamente la concentrazione di droganti nel materiale
E’ inoltre in genere utilizzata una geometria planare
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SEMICONDUTTORE
Rivelatori al Si per particelle cariche
Data la modalità di interazione delle particelle cariche e il loro range, per la rivelazione
è necessaria una sottile regione di svuotamento in prossimità della superficie del
rivelatore. Per la sua realizzazione possono essere applicati due tecnologie:
impiantazione ionica e barriera superficiale
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SEMICONDUTTORE
Rivelatori al Ge iperpuri per spettrometria gamma
(HPGe: High Purity Germanium Detectors)
Nel caso del germanio, si è riusciti a realizzare cristalli con bassissime concentrazioni di
impurezze (1010 atomi/cm3). Si possono ottenere volumi di rivelazione sufficientemente
grandi da consentire una buona probabilità di interazione dei raggi gamma
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Rivelatori al Ge iperpuri per spettrometria gamma
(HPGe: High Purity Germanium Detectors)
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SEMICONDUTTORE
FOTODIODO p-n
In un fotodiodo p-n le
coppie elettroni/lacune
create nella regione di
svuotamento
contribuiscono al segnale
elettrico. Quelle prodotte
fuori diffondono o si
ricombinano ma non
generano segnale.
FOTODIODO p-i-n
In un fotodiodo p-i-n è
inserito un layer di
semiconduttore intrinseco
che espande la regione di
svuotamento, così da
estendere la sensibilità
del rivelatore in una più
ampia regione di
lunghezze d’onda.
FOTODIODI
FOTODIODO A VALANGA
In un fotodiodo a valanga
è applicata un tensione
inversa sufficientemente
alta da consentire
ionizzazioni secondarie
all’interno della regione
di svuotamento:
amplificazione del
segnale.
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SEMICONDUTTORE
Active area
p+ diffusion
depletion region
n-type silicon bulk
n+ diffusion
Metal contact
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SEMICONDUTTORE
FOTODIODI
Semiconductor
Sensitivity region (nm) Max (nm)
Silicon (Si)
~ 300-1200
~ 900
Germanium (Ge)
~ 800-1800
~ 1500
Indium gallium arsenide (InGaAs)
~ 900-2600
~ 1500
Wavelength (nm)
