RIVELATORI A SEMICONDUTTORE. Dal punto di vista della conducibilità elettrica i materiali si possono classificare in :

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Antonella Raimondi
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1 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 (E g = 0 ev) (b) Semiconduttori: le bande sono separate da una energia E g ~ 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 (E g ~ 6 ev), quindi a temperatura ambiente ho assenza di cariche libere in BC

2 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: n i =p i Si: E g ~ 1.1 ev n i =p i (300K) ~1.5 x cm -3 Ge:E g ~ 0.7 ev n i =p i (300K) ~2.4 x 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.

3 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 n i >p i, (n i = numero di elettroni liberi p i = numero di lacune libere) Gap donatore - BC (ev)

lo schema dei livelli, aggiungendo un livello energetico (livello di donatore) nel gap proibito tra BV e BC.

4 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 p i >n i, (n i = numero di elettroni liberi p i = numero di lacune libere) Gap accettore - BV (ev)

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

5 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: N E w Se in un gas l energia per creare una coppia di cariche abbiamo visto essere ev, in un semiconduttore è 10 volte inferiore w 3 Questo fa sì che la risoluzione di un rivelatore a semiconduttore sia migliore di quella di un rivelatore a gas (vedi poi) ev 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

Il numero N di cariche liberate dipende ancora dall energia E della particella incidente tramite la relazione: N E w Se in un gas l energia per creare una coppia di cariche abbiamo visto essere 30-35

6 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.

La situazione è la stessa per le lacune, che diffonderanno dalla zona p alla zona n.

7 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 - E b + 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.

Si raggiunge così una situazione di equilibrio.

8 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 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 - E Regione di svuotamento + n - +

probabilità di interazione della radiazione ionizzante al suo interno (specialmente per i raggi gamma) Questi problemi si risolvono polarizzando inversamente la giunzione Il campo elettrico

9 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

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

10 Rivelatori al Si per particelle cariche RIVELATORI A SEMICONDUTTORE 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

sottile regione di svuotamento in prossimità della superficie del rivelatore.

11 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 (10 10 atomi/cm 3 ). Si possono ottenere volumi di rivelazione sufficientemente grandi da consentire una buona probabilità di interazione dei raggi gamma

concentrazioni di impurezze (10 10 atomi/cm 3 ).

12 Rivelatori al Ge iperpuri per spettrometria gamma (HPGe: High Purity Germanium Detectors)

13 FOTODIODI FOTODIODO p-n FOTODIODO p-i-n FOTODIODO A VALANGA 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. 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. 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.

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

14 Active area p+ diffusion depletion region n-type silicon bulk n+ diffusion Metal contact

15 FOTODIODI Semiconductor Sensitivity region (nm) Max (nm) Silicon (Si) ~ ~ 900 Germanium (Ge) ~ ~ 1500 Indium gallium arsenide (InGaAs) ~ ~ 1500 Wavelength (nm)

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