introduzione ai rivelatori di particelle

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1 Itroduzioe ai rivelatori di articelle itroduzioe ai rivelatori di articelle arte VI Rivelatori a semicoduttore AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 1

2 Itroduzioe ai rivelatori di articelle I rivelatori a semicoduttore la struttura delle bade di valeza e coduzioe bada di coduzioe E fermi bada di valeza isolate E ga > 5eV bada di coduzioe E fermi bada di valeza E ga ~1eV semicoduttore ortatori di carica elettroi ( ) e lacue () robabilità di creazioe termica di ua coia el.-lacua P( T ) = C T 3/ e E g / k B T a temeratura ambiete k B T~0.05 ev semicoduttore itriseco (uro) cocetrazioe di elettroi cocetrazioe di lacue = la correte elettrica asce dal moto di elettroi ella bada di coduzioe e dal moto di lacue ella bada di valeza o esiste u semicoduttore assolutamete uro AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto

3 Itroduzioe ai rivelatori di articelle I rivelatori a semicoduttore i legami e la struttura cristallia di u semicoduttore tetravalete (Si) atomo di semicoduttore elettroi di valeza i codizioi stabili c è equilibrio tra formazioe di coie e ricombiazioe elettroe ella bada di coduzioe lacua ella bada di valeza i equilibrio termico la cocetrazioe di elettroi e lacue segue la relazioe = 3 E i = AT e g / k B T AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 3

4 Itroduzioe ai rivelatori di articelle I rivelatori a semicoduttore la struttura delle bade di valeza e coduzioe distaza iteratomica caratteristica drogati accettori di elettroi utilizzati er rodurre semicoduttori -tye (Z-1) drogati doatori di elettroi utilizzati er rodurre semicoduttori -tye (Z1) AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 4

5 Itroduzioe ai rivelatori di articelle I rivelatori a semicoduttore il Silicio (A=8 Z=14) ρ =.33 g/cm 3 E g = ev a 300K atomi/cm it = it cm -3 costate dielettrica relativa k=1,, assoluta ε=kε 0 = F/m a 300 K mobilità degli elettroi μ e =1350cm /Vs,, delle lacue μ h = 480 cm /Vs velocità di deriva cm/s i cami V/cm tede a saturare a 10 7 cm/s 1 mm i 10s la risosta è raida l eergia er creare ua coia elettroe-lacua el Silicio è di 3.6 ev a 300K el Germaio l eergia è di.9 ev AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 5

6 Itroduzioe ai rivelatori di articelle I rivelatori a semicoduttore Semicoduttori di tio il silicio è tetravalete imurezza etavalete.e. fosforo door i er cm 3 P fosforo aggiuto come imurità P etra elettroe facilmete eccitabile ella bada di coduzioe il umero di elettroi ella bada di coduzioe è sostazialmete dovuto alle imurezze ~ (door) equilibrio = it it ~10 0 (cm -3 ) ~10 17 cm -3 ~10 3 cm -3 - elettroi majority carrier maggior cotributo alla mobilità - lacue miority carrier AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 6

7 Itroduzioe ai rivelatori di articelle I rivelatori a semicoduttore Semicoduttori di tio il silicio è tetravalete imurezza trivalete.e. Boro accetor i er cm 3 B Boro aggiuto come imurità B i livelli accetor vegoo facilmete riemiti da elettroi che lasciao lacue ella bada di valeza i questo caso ~10 3 cm -3 e ~ A (accetor) ~ cm -3 - lacue majority carrier coduttività - elettroi miority carrier l effetto Hall ermette di verificare il sego dei ortatori AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 7

8 Itroduzioe ai rivelatori di articelle I rivelatori a semicoduttore il assaggio di ua articella ioizzate creazioe di coie elettroe-lacua umero maggiore che i u rivelatore a gas maggiore desità miore eergia di eccitazioe miori fluttuazioi, migliore risoluzioe eergetica erò o si uò alicare ua d.d.. a uo strato di semicoduttore la resistività o è sufficietemete elevata si avrebbe ua correte di fodo troo grade o si otrebbe mettere i evideza il iccolo segale di ioizzazioe è ecessaria ua cofigurazioe articolare di semicoduttori er oter utilizzare i semicoduttori come rivelatore di articelle la giuzioe - AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 8

9 Itroduzioe ai rivelatori di articelle I rivelatori a semicoduttore la giuzioe - alla suerficie di cotatto tra due semicoduttori di tio e di tio si ha u rocesso di diffusioe gli elettroi di coduzioe assao el semicoduttore di tio e vegoo catturati dalle lacue el semicoduttore di tio si formao lacue ositive le lacue assao dal tio al tio co effetti aaloghi di orma le cocetrazioi iiziali o soo eguali asce u camo elettrico locale che ralleta la diffusioe situazioe di equilibrio d.d.. E ρ oteziale di cotatto deletio regio AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 9

10 Itroduzioe ai rivelatori di articelle I rivelatori a semicoduttore caratteristiche della deletio regio desità di ortatori di carica molto bassa cm -3 risetto a cm -3 del materiale uro resistività elevatissima esisteza di u camo elettrico se viee rodotta, er ioizzazioe, ua coia lacuaelettroe si ha u assaggio di carica e quidi u segale elettrico, co u raorto segale-rumore favorevole la deletio regio di ua giuzioe - uò essere usata come rivelatore di articelle il camo elettrico E è troo debole e la velocità di deriva molto bassa la robabilità di ricombiazioe è elevata eergia E F eδ regioe di _ carica saziale -semic. _ bada di coduzioe eutro ---- Electric _ field -semic. bada di valeza eutro eletio regio -tye accettori -tye doori AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 10

11 Itroduzioe ai rivelatori di articelle I rivelatori a semicoduttore bias diretto bias iverso d.d.. V oteziale di cotatto coduce tato a causa dei majority carrier diodo i bias diretto deletio regio I s bias iverso ~ A/cm V coduce oco a causa dei miority carrier alichiamo ua d.d.. iversa >> del oteziale di cotatto raticamete localizzata ella deletio zoe la deletio regio risulta allargata AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 11

12 Itroduzioe ai rivelatori di articelle I rivelatori a semicoduttore la deletio regio d el bias iverso dalla soluzioe dell equazioe di Poisso (*) d C cocetrazioe dell imurezza (quella miore) il camo massimo caacità er uità di suerficie V~100V ~10 13 cm -3 d~100μm E ma ~10 6 V/m C~1 F/mm bada di coduzioe _ *) v. agia succ. ε V e eε V eergia degli elettroi eδ ev bada di valeza -tye E ma Electric field eletio regio A V e ε A -tye AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 1

13 AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 13 Itroduzioe ai rivelatori di articelle equazioe di Poisso la carica totale è ulla e quidi e, dalla (1), < < < < = A e e 0 0 ) ρ( I rivelatori a semicoduttore ρ() - V() ε ρ ) ( d V d = A = (1) < < < < = A e e d dv 0 ) ( 0 ) ( < < < < = A C e C e V 0 ) ( 0 ) ( ) ( ε ε V 0 ( ) 0 A e V = ε ) (1 ) (1 0 0 A A A e V e V = = ε ε A e cocetrazioe delle imurezze A A e V e V d A 0 0 ) ( ε ε = = >>

14 Itroduzioe ai rivelatori di articelle I rivelatori a semicoduttore Rivelatori comletamete svuotati strato ad alta cocetrazioe semicoduttore molto uro iccola desità di ortatori grade sessore della regioe di svuotameto d~1/ la regioe di svuotameto si estede el semicoduttore uro: se lo sessore è t, si ha svuotameto comleto quado è alicata ua d.d.. e t V t = ε E si ottiee t ~0.1 1 mm camo elettrico E 1. V<V t 1 3. V=V t 3. V>V t strato frotale il iù sottile ossibile t AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 14

15 Itroduzioe ai rivelatori di articelle I rivelatori a semicoduttore metodo di fabbricazioe silicio molto uro di tio strato di SiO SiO aertura di fiestre imiatazioe ioica di Boro (trivalete) imiatazioe ioica di Arseico (etavalete) B As tye tye allumiatura er deosito Al Al AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 15

16 Itroduzioe ai rivelatori di articelle I rivelatori a semicoduttore i rivelatori di osizioe microstri detector (1983) segmetazioe di u elettrodo - larghezza delle strisce 1μm - asso delle strisce 0μm - sessore 300 μm risoluzioe 5 7μm a secoda della lettura umero di coie elettroe-lacua ~30000 su 300 μm er ua m.i.. V b eletio zoe udeleted zoe w d h e- AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 16

17 Itroduzioe ai rivelatori di articelle I rivelatori a semicoduttore i rivelatori di osizioe i ortatori di carica soo creati i ua regioe di ~1μm attoro alla traccia della articella V la deriva i camo elettrico E v d = μ W strisce a tesioe di bias iverso V lacue verso le strisce, elettroi el verso oosto μe = 1350cm / Vs codizioi tiiche di bias μ 100V, d=300μm, E =3.3kVcm -1 h = 480cm / Vs velocità di deriva: e= cms -1 & h= cm -1 temo di raccolta: e=7s, h=19s la distribuzioe di carica subisce ua diffusioe durate la μ kt deriva σ d = t = q AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 17

18 Itroduzioe ai rivelatori di articelle I rivelatori a semicoduttore i rivelatori di osizioe 0 50μm 300μm 1 10cm AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 18

19 Itroduzioe ai rivelatori di articelle I rivelatori a semicoduttore i rivelatori di osizioe: u esemio di alicazioe ad u collider 0cm 50cm AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 19

20 Itroduzioe ai rivelatori di articelle I rivelatori a semicoduttore i rivelatori di osizioe la distribuzioe della carica raccolta (5000 coie elettroe-lacua i media su 300 μm di Si) segue ua distribuzioe di Ladau valore di carica iù robabile 0.7 valore medio carica media de = 1.66MeV /( g / cm ) = d = 3.87MeV / cm 3 desità ρ =.33g / cm coia e h < E >= 3.6eV distribuzioe del rumore coie/ cm coie/ 100μ0 distribuzioe di Ladau i reseza di rumore 5 fc e C AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 0

21 Itroduzioe ai rivelatori di articelle I rivelatori a semicoduttore alicazioi i fisica ucleare Silicio er settroscoia di articelle cariche misure di ΔE o di E er articelle iù eetrati (di maggior eergia o γ) ecessaria ua urezza elevata < cm -3 sessori d maggiori germaio ultrauro HPGe (high urity Ge) comesazioe delle imurezze co altre di sego oosto:.e. litio (door) i Germaio Ge(Li) aumeto della resistività sessori dell ordie di ~ 1 cm (X 0 =.3cm) oerazioe a T=77K (azoto liquido) el Ge E ga ~0.7 ev, effetti termici otevoli risoluzioe ottima del Ge ella misura dell eergia dei γ σ E ~0.5 KeV a 100KeV, σ E ~ KeV a 1000KeV Si (Li) er raggi X (X 0 =9.4cm) er elettroi co E < 5 KeV el Silicio, la comesazioe delle imurezze è l uico modo er avere regioi d di deletio gradi ( > alcui mm) AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 1

22 Itroduzioe ai rivelatori di articelle cei sulla rivelazioe dei eutroi soltato attraverso reazioi ucleari (iterazioi forti) roduzioe di articelle cariche i metodi variao al variare dell eergia cietica del eutroe eutroi leti E k 1 ev v ~ m/s E k,fi = E k, Q co Q>0 (esotermica) reazioe ucleo uclei se E k, è trascurabile, E k,fi = Q si rivela il eutroe, ma o si misura la sua eergia.e. co eutroi termici (da reattore) E k, ~ 0.05 ev 10 B(,α) 7 Li Q=.31 MeV E k,li =0.84 MeV E k,α =1.47 MeV 6 Li(,α) 3 H Q=4.78 MeV 3 He(,) 3 H Q=0.764 MeV fissioe di 35 U Q ~ 100 MeV a 1 ev σ ~ bar AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto

23 Itroduzioe ai rivelatori di articelle cei sulla rivelazioe dei eutroi u esemio di rivelatore cotatori roorzioali a gas BF 3 arricchito i 10 B, alla ressioe atmosferica fodo se tutti i rodotti della reazioe soo assorbiti el cotatore.31 MeV fodo B A MeV se uo dei due rodotti è assorbito dalle areti dato che i ratica il C.M. è fermo, si ha se è assorbita ua articella α, o lo è 7 Li, si vedoo almeo 0.84 MeV. Viceversa si vedoo almeo 1.47 MeV A segale di 7 Li segale di α arziale B segale α segale 7 Li arziale efficieza ~ 90% a 0.05 ev ~ 4% a 100 ev AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 3

24 Itroduzioe ai rivelatori di articelle cei sulla rivelazioe dei eutroi eutroi veloci E k, 10 MeV v m/s se si vuole solo rivelarli moderazioe (ralletameto er urto) i olietilee, araffia, acqua esate eutroi termici metodi recedeti.e. cotatore roorzioale ieo di BF 3 o 3 He sull asse di u cilidro di moderatore -- efficieza < 10% se si vuole ache misurare l eergia cietica diffusioe elastica.e. sui rotoi di uo scitillatore lastico E k, = E k, cos θ E k,ma = E k, θ si misura il segale di scitillazioe del rotoe efficieza: qualche % er cm di scitillatore eutroi oltre 10 MeV eveti ucleari sul sigolo ucleoe co roduzioe di articelle sul ucleo co rottura e roduzioe di frammeti misura dei rodotti secodari calorimetria adroica AA 005/06 Cesare Voci - Giovai Busetto 4