CAMERE A IONIZZAZIONE A STATO SOLIDO
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- Silvia Corsi
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1 CAMERE A IONIZZAZIONE A STATO SOLIDO Di principio, degli elettrodi depositati su un cristallo isolante consentono di realizzare un contatore a ionizzazione. Rispetto al gas: Piu denso piu sottile (300 µm di Si) Carica sufficiente senza moltiplicazione Utilizza i portatori di entrambi i segni Bassa energia di ionizzazione E necessario: Energia di ionizzazione piccola (Ei < 20eV) Mobilita elevata Vita media dei portatori elevata (τ > 100 µs) Leakage basso (pochi portatori liberi a T amb ) Queste caratteristiche si trovano (quasi) tutte in Si, Ge, GaAs (semiconduttori) Questo non e possibile con Si e Ge che hanno gap di energia fra le bande di valenza e di conduzione rispettivamente di 1.1 ev e 0.67 ev. A T amb c e già conduzione
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3 RIVELAZIONE DI PARTICELLE IONIZZANTI CON RIVELATORI A SEMICONDUTTORE ENERGIA CINETICA DELLA PARTICELLA COPPIE e-h da raccogliere con un campo ε ENERGIA NECESSARIA IN MEDIA per creare una coppia e - h analogo del W per i gas VALORI TIPICI DI ε Ge Si ε (300 K) ε (77 K) [ev] legato al valore della gap
4 RIVELAZIONE DI PARTICELLE IONIZZANTI CON RIVELATORI A SEMICONDUTTORE 1 OSSERVIAMO CHE: ε ~ W 10 INFATTI: Energia deposta effetto benefico sulla risoluzione N GAS = E/W N S = E/ε N coppie di portatori ΔN N POISSON ( ) S = ( ) GAS = 1 N ΔN / N ΔN / N N GAS N S = ε W 1 3 Con questo ragionamento grossolano vediamo che per un solido semiconduttore la risoluzione è circa 3 volte migliore che per un gas a parità di energia Il fattore di Fano F migliora ulteriormente la risoluzione
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7 Il livello di Fermi è a metà del gap
8 DENSITA DI PORTATORI IN SEMICONDUTTORI INTRISECI Nei semiconduttori intrinseci (non drogati): Densita degli stati ai bordi delle bande Fattore termico: raddoppio ogni 8 C Si (a T amb ) n i = cm -3 Ge (a T amb ) n i = cm -3
9 MOBILITA E RESISTIVITA Mobilita µ e,h µ dipende dal campo E (saturazione per alti campi) e dalla densita di drogante (materiali estrinseci) con E 1 kv/cm v 1 cm/µs come nei gas! Resistivita ρ Semiconduttori intrinseci (puri) Si ρ = 230 KΩ cm, Ge ρ = 45 Ω cm In questo volume ci sono cariche libere ma solo coppie e-h prodotte da una MIP NON POSSO USARE Si E Ge INTRINSECI
10 SEMICONDUTTORI DROGATI (ESTRINSECI) Drogaggio: sostituzione di un atomo del cristallo con un elemento diverso (semiconduttore estrinseco) I droganti introducono dei livelli energetici intermedi: Pieni vicini a Ec Droganti tipo n donori (V gruppo) 5 e - valenza: P,As I portatori maggioritari sono gli e - E f a metà del nuovo gap Vuoti vicini a Ev Droganti tipo p accettori ( III gruppo) 3 e - valenza: B, Ga I portatori maggioritari sono le lacune E f a metà del nuovo gap Tipiche energie di ionizzazione per le impurezze aggiunte: 10 mev Molti portatori di carica liberi per la sola energia termica
11 SEMICONDUTTORI DROGATI (ESTRINSECI) ELETTRONI IN ECCESSO N D : CONCENTRAZIONE IMPUREZZE DONATRICI N A : CONCENTRAZIONE IMPUREZZE ACCETTRICI ELETTRONI IN DIFETTO SE LA CONDUZIONE È DOMINATA DAI PORTATORI PROVENIENTI DA IMPUREZZE, SI DICE CHE IL SEMICONDUTTORE È ESTRINSECO Per un semiconduttore estrinseco si ha: TIPO n N D >> N A n N D p = n i n = n i kt ambiente TIPO p N A >> N D p N A n = n i p = n i N D 2 N A
12 Esempio: SEMICONDUTTORI DROGATI (ESTRINSECI) Si: n i cm -2 e: PORTATORI MAGGIORITARI se N D cm -3 n N D cm -3 p n i2 / N D 10 3 cm -3 h: PORTATORI MINORITARI CASO ANALOGO SE h MAGGIORITARI SE N A N D MATERIALI COMPENSATI SE N A, N D cm -3 MATERIALI PESANTEMENTE DROGATI CONDUCIBILITÀ METALLICA SIMBOLO: n+, p+
13 GIUNZIONE p-n POLARIZZATA Occorre un meccanismo per rimuovere il più possibile i portatori liberi, estrinseci o intrinseci, presenti nel materiale Utilizziamo un semiconduttore intriseco e droghiamolo da un lato p e dall altro n Il livello di Fermi dev essere unico Deformazione della struttura a bande differenza di potenziale
14 Gli elettroni diffondono nel P, le lacune nell N à si crea una differenza di potenziale à la diffusione si ferma Regione di svuotamento non ci sono portatori di carica liberi. Nessuna carica libera nella regione di svuotamento
15 n-type Si J = σe σ = µqn d ρ = 1/σ
16 In base a quanto detto, è possibile operare in modo tale che: REGIONE SVUOTATA PARTE SENSIBILE DI UN RIVELATORE Il materiale di partenza dev essere molto puro anche per evitare centri di ricomb.e e di intrap.
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18 PLANARI (più piccoli) 2 TIPI DI RIVELATORI: COASSIALI (più grandi) vd SATURATA: ~ 10 cm/µs Segnali lenti e con fronte di salita dipendente dalla posizione V 2 kv CASO PLANARE: All inizio: stessa pendenza è si muovono sia e che h th e te sono i tempi di deriva per h ed e rispettivamente lungo tutto lo spessore d fra gli elettrodi (n+ e p+) CASO COASSIALE: All inizio dipendenza lineare, poi più complessa poiché vd dipende da E, non più costante come nel caso planare
19 CARATTERIZZAZIONE STATICA ( IV-CV ) POTENTE STRUMENTO PER MISURARE LE PROPRIETÀ INTRINSECHE DEL RIVELATORE STESSO: Corrente di fuga ΔV per svuotamento completo DI NORMA EFFETTUATA SUL SENSORE NUDO RICHIESTA STRUMENTAZIONE HIGH TECH : senza elettronica Picoamperometro (I ~ na) Capacimetro di precisione ( C ~ ff)
20 CARATTERIZZAZIONE STATICA IV Stima della corrente di fuga e della figura di rumore corrispondente. Strumento per investigare l origine di eventuali malfunzionamenti n Depletion region n+ Metal Impurities
21 CARATTERIZZAZIONE STATICA CV Misura della tensione di completo svuotamento Stima del volume sensibile C d = S ε d V 1 C 2 = kv d d d W
22 CARATTERIZZAZIONE DINAMICA Carica iniettata nel sensore: linearità omogeneità ripetibilità stabilità Scope Multimeter Power supply Sorgenti radioattive Test su fascio IR LASER λ = 1060 nm f = 0.1Hz 1 MHz Laser Detector Waveforme generator Repeater VME system
23 TIPI DI RIVELATORI A SEMICONDUTTORE
24 TIPI DI RIVELATORI A SEMICONDUTTORE
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26 SPETTROSCOPIA α CON Si A BARRIERA SUPERFICIALE ΔE FWHM 10 kev AL MEGLIO ΔE FWHM 50 kev VALOR MEDIO ΔE FWHM 3-4 kev LIMITE STATISTICO CI SONO ALTRE CAUSE DI DETERIO- RAMENTO DELLA RISOLUZIONE
27 RIVELATORI HPGe PER SPETTROSCOPIA γ
28 TIPICA CONFIGURAZIONE DI UN HPGe
29 DETTAGLIO CONFIGURAZIONE DI UN HPGe
30 CONFRONTO SPETTROMETRIA γ CON HPGe vs NaI
Il semiconduttore è irradiato con fotoni a λ=620 nm, che vengono assorbiti in un processo a due particelle (elettroni e fotoni).
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