Détecteur à semiconducteur

Un détecteur à semiconducteur est un détecteur de particules qui s'appuie sur la technologie des semiconducteurs.



Catégories :

Détecteur de particules - Capteur - Composant électronique - Semi-conducteur

Recherche sur Google Images :


Source image : unilim.fr
Cette image est un résultat de recherche de Google Image. Elle est peut-être réduite par rapport à l'originale et/ou protégée par des droits d'auteur.

Page(s) en rapport avec ce sujet :

  • A plus haute énergie, par conséquent dans le . 1. Détection et spectroscopie des particules lourdes. -. Les détecteurs à semi-conducteurs réunissent, par... (source : hal.inria)
  • L. Lavergne – Du détecteur à la mesure - Roscoff 2007.11. Les bandes d'énergie dans un semi-conducteur. • approche classique : le cristal -> assemblage... (source : in2p3)
  • ... Les détecteurs à semi-conducteurs sont apparus dès 1949 [6], ... la perte d'énergie ?E mesurée par un détecteur selon l'énergie... (source : histoire-cnrs.revues)
Un détecteur au germanium.

Un détecteur à semiconducteur est un détecteur de particules qui s'appuie sur la technologie des semiconducteurs.

Principe

Détection

Une particule avec une énergie suffisante, rencontrant un semi-conducteur, va arracher un électron à un atome du cristal (par effet photoélectrique, effet Compton ou création de paires) en lui cédant une partie ou la totalité de son énergie sous forme d'énergie potentielle (ionisation) et cinétique. Le semiconducteur à la particularité de se comporter comme un conducteur quand il y a interaction du rayonnement et comme un isolant quand il n'y a pas interaction. Le gap est l'énergie minimum qui doit être apportée au cristal pour qu'un électron de la bande valence (participant aux liaisons entre les atomes) soit libéré dans la bande de conduction. Le semiconducteur est spécifiquement bien adapté à la mesure de rayonnements gamma car il sert à discriminer le courant génèré par les particules du courant de bruit thermique.

L'électron éjecté lors de l'interaction va déclencher à son tour d'autres ionisations en cascade. Après thermalisation avec le cristal, on obtient au sein du semi-conducteur un nuage de porteurs libres. Le semi-conducteur étant polarisé par une haute tension, les porteurs libres vont être attirés vers les électrodes et génèrer ainsi un courant mesurable dans un circuit connecté au détecteur.

Il existe différents modes d'utilisation impliquant une électronique différente à la sortie du semi-conducteur :

Spectrométrie

Le détecteur analyse chaque particule incidente scindément.

Les charges sont collectées aux électrodes et forment un signal électrique transitoire nommé impulsion. Si la collecte est complète, l'intégrale du courant mesuré est proportionnelle à l'énergie déposée par la particule incidente. On utilise un circuit électronique pour mesurer cette intégrale ; généralement il s'agit soit d'un condensateur, soit d'un préamplificateur de charge.

On obtient la correspondance entre la valeur du signal électrique intégré et l'énergie déposée par la particule avec un étalonnage du détecteur.

On mesure par conséquent pour chaque particule incidente une valeur proportionnelle à son énergie. Si on mesure pendant un temps donné le rayonnement incident, on peut compter le nombre de particules ayant frappés le cristal (on parlera de "coups") et les classer par énergie.

On obtient ainsi un spectre montrant le nombre de coups par niveau d'énergie. On pourra ainsi observer des pics à des énergies bien précises, correspondant aux énergies des particules incidentes.

Les éléments radioactifs émettant des rayonnements avec des énergies bien précises, on peut retrouver quel élément est la source des rayonnements mesurés.

Comptage

Le détecteur compte les interactions sans les mesurer.

L'impulsion électrique consécutive à une interaction est détectée par un circuit électronique qui se contente d'en signaler l'existence, sans extraire l'information d'énergie. La quantité de déclenchements mesurés peut alors servir à mesurer l'activité d'une source.

Intégration

Le détecteur mesure une intensité de rayonnement en continu. Cela ne permet pas de faire de la spectrométrie.

Les courants induits par les charges collectées sont ici intégrés en continu. La mesure est trop lente pour séparer les contributions individuelles mais on observe un signal à l'image du courant moyen dans le détecteur sur une certaine constante de temps. Ce courant varie selon l'intensité du rayonnement, quel qu'il soit.

On peut ainsi localiser des sources d'émission de radioactivité en dotant le détecteur d'un collimateur lui servant à recevoir les particules selon un angle solide restreint. Le détecteur devient ainsi sensible à la direction. Selon la sensibilité du semi-conducteur, la radioactivité ambiante peut aussi particulièrement vite se superposer au signal utile et noyer les pics intéressants dans un fond continu.

Structure

Détecteurs à jonction PN

La structure de base d'un détecteur à semi-conducteur est une jonction inversement polarisée.

peut être les électrons (type n) ou les trous (type p)

Détecteurs bulk

De manière à obtenir une meilleure efficacité de détection, surtout à haute énergie, on utilise aussi des structures possédant une zone non dopée (intrinsèque) volumineuse insérée entre deux contacts pouvant être des zones semiconductrices dopée (structure en diode p-i-n) ou simplement des contacts métalliques (structure métal-semiconducteur-métal, cf. jonction Schottky). En règle général, on polarise les jonctions en inverse de façon à minimiser le courant d'obscurité et par conséquent d'optimiser le rapport signal sur bruit.

Fonctionnement

L'absorption de l'énergie d'un gamma est due à trois effets : Effet photoélectrique, effet Compton, création de paires (ex :Aluminium)

Interaction rayonnement-matière

Une particule ionisante interagit au sein du détecteur. Elle éjecte un électron de son atome et ce dernier provoque d'autres ionisations en chaine. Après relaxation, on a généré sur un certain volume un nuage de porteurs libres : électrons dans la bande de valence et de trous dans la bande de conduction. Le nombre total de paires électron-trous généré est en moyenne proportionnel à l'énergie déposée par la particule. L'énergie indispensable pour créer une paire est supérieure à la largeur de gap et dépend des processus de relaxation mis en jeu dans le semi-conducteur.

La variance sur le nombre de paire généré est égal à F \times N où F est un facteur adimensionnel nommé facteur de Fano. Il traduit le nombre moyen d'évènements physique indépendants mis en jeu pour la génération d'une paire. En pratique F < 1.

Transport des charges

Un champ électrique est appliqué au détecteur avec électrodes : anodes polarisées positivement et cathodes polarisées négativement. Sous l'effet de ce champ, généralement assez intense, les électrons et trous sont scindés et drainés vers (respectivement) les anodes et les cathodes. Les porteurs peuvent être ensuite soit recombinés soit collectés par les électrodes.

Induction de signal

La séparation des porteurs forme alors un dipôle électrostatique qui est à son tour à l'origine d'un champ électrique inverse. Au niveau des électrodes ce champ a un effet électrique. On observe alors aux limites du détecteur un signal de tension, courant ou charge selon les caractéristiques du circuit extérieur utilisé.

Mesure

Le signal électrique est mesuré avec un circuit électronique préamplificateur puis on en extrait par traitement du signal diverses données :

Analyse

Les mesures effectuées sont ensuite traitées statistiquement. Typiquement, on génère des histogrammes dits spectres, représentatif de la distribution des particules. Surtout, le spectre en énergie est utilisé pour l'identification d'isotopes radioactifs ou de tout type de matériau par fluorescence X. Il existe des logiciels automatiser pour effectuer l'identification de pics dans les spectres énergétiques.

Caractéristiques

L'efficacité d'un détecteur semi-conducteur dépend de nombreux facteurs : le type et l'énergie du rayonnement incident, sa géométrie, la densité et le numéro atomique du matériau utilisé, les éventuelles zones mortes dues aux propriétés de transport des porteurs et au mécanisme d'induction de signal. Cependant, les détecteurs semi-conducteurs étant solides et par conséquent assez denses, ils sont à géométrie égale fréquemment plus efficaces que les détecteurs à gaz.

Dans les semi-conducteurs, quelques eV suffisent à créer une paire électron-trou, ce qui est à peu près 10 fois moins que un gaz, et 100 fois moins qu'avec un scintillateur. Cela se traduit par une meilleure résolution en énergie, puisque la statistique sur le nombre de charges élémentaires créées est plus favorable. La fluctuation du nombre de charges collectées est par conséquent moindre, d'où une meilleure résolution intrinsèque. Cependant, d'autre facteurs de dégradation tempèrent cette caractéristique particulièrement favorable : le bruit dû au courant de fuite, celui dû au circuit de lecture et les déficits causé par les collectes incomplètes.

Les détecteurs à semi-conducteur ont une bonne linéarité, étant donné que seuil de perte d'énergie est particulièrement faible. Néanmoins, pour les particules fortement ionisantes, comme les ions lourds, l'efficacité de collecte est affectée par l'effet de charge spatiale (les charges dérivent moins vite, par conséquent il y a plus de recombinaison, parce que le champ électrique est diminué).

Même si la jonction est inversement polarisée, il existe un très faible courant (∼nA) à travers la jonction. Ce courant n'est pas gênant en lui-même mais ses fluctuations (le bruit associé) le sont . Ces fluctuations sont causées par la nature discrète des phénomènes microscopiques. Quand un porteur est injecté au contact, généré dans le volume, piégé ou dépiégé, quand il subit une collision avec le réseau cristallin, ont a des phénomènes élémentaires aléatoires susceptibles de contribuer au bruit. Moins on aura de porteurs «inutiles» (générés par autre chose que le rayonnement) dans un détecteur, mieux cela sera.

Les détecteurs à semi-conducteurs peuvent être particulièrement rapides. La durée du signal correspond au temps de transit des porteurs ou à leur durée de vie. Il peut aller de la nanoseconde à la microseconde selon la géométrie du détecteur et l'intensité du champ électrique.

Comparaison aux autres types de détecteur

Matériaux utilisés

Les principaux semi-conducteurs utilisés en détection de rayonnement ionisants sont :

Applications

Les détecteurs à semi-conducteur sont utilisés dans les différents domaines où on a affaire à des rayonnements ionisants :

fréquemment :

de manière toujours marginale, principalement pour des raisons de coût :

Différent types de mesure peuvent être effectués :

Recherche sur Amazone (livres) :



Ce texte est issu de l'encyclopédie Wikipedia. Vous pouvez consulter sa version originale dans cette encyclopédie à l'adresse http://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9tecteur_%C3%A0_semiconducteur.
Voir la liste des contributeurs.
La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
Ce texte est disponible sous les termes de la licence de documentation libre GNU (GFDL).
La liste des définitions proposées en tête de page est une sélection parmi les résultats obtenus à l'aide de la commande "define:" de Google.
Cette page fait partie du projet Wikibis.
Accueil Recherche Aller au contenuDébut page
ContactContact ImprimerImprimer liens d'évitement et raccourcis clavierAccessibilité
Aller au menu