Un detector de semiconductores en física de detección de radiación ionizante es un dispositivo que utiliza un semiconductor (generalmente silicio o germanio ) para medir el efecto de partículas cargadas o fotones incidentes.
Los detectores de semiconductores encuentran una amplia aplicación en protección radiológica , espectrometría de rayos gamma y X y como detectores de partículas .
En los detectores de semiconductores, la radiación ionizante se mide por el número de portadores de carga liberados en el material del detector que está dispuesto entre dos electrodos , por la radiación. La radiación ionizante produce electrones libres y huecos de electrones . El número de pares electrón-hueco es proporcional a la energía de la radiación al semiconductor. Como resultado, se transfiere un número de electrones de la banda de valencia a la banda de conducción , y se crea un número igual de huecos en la banda de valencia. Bajo la influencia de un campo eléctrico , los electrones y los huecos viajan a los electrodos, donde dan lugar a un pulso que se puede medir en un circuito externo , como se describe en el teorema de Shockley-Ramo . Los huecos viajan en la dirección opuesta y también se pueden medir. Como se conoce la cantidad de energía necesaria para crear un par electrón-hueco, y es independiente de la energía de la radiación incidente, medir el número de pares electrón-hueco permite determinar la energía de la radiación incidente. [1]
La energía necesaria para producir pares electrón-hueco es muy baja en comparación con la energía necesaria para producir iones apareados en un detector de gas. En consecuencia, en los detectores de semiconductores la variación estadística de la altura del pulso es menor y la resolución energética es mayor. Como los electrones viajan rápido, la resolución temporal también es muy buena y depende del tiempo de ascenso . [2] En comparación con los detectores de ionización gaseosa , la densidad de un detector de semiconductores es muy alta y las partículas cargadas de alta energía pueden emitir su energía en un semiconductor de dimensiones relativamente pequeñas. [ cita requerida ]
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La mayoría de los detectores de partículas de silicio funcionan, en principio, dopando tiras de silicio estrechas (normalmente de unos 100 micrómetros de ancho) para convertirlas en diodos , que luego se polarizan de forma inversa . A medida que las partículas cargadas pasan a través de estas tiras, provocan pequeñas corrientes de ionización que pueden detectarse y medirse. La disposición de miles de estos detectores alrededor de un punto de colisión en un acelerador de partículas puede dar una imagen precisa de qué caminos toman las partículas. Los detectores de silicio tienen una resolución mucho mayor en el seguimiento de partículas cargadas que las tecnologías más antiguas, como las cámaras de niebla o las cámaras de alambre . El inconveniente es que los detectores de silicio son mucho más caros que estas tecnologías más antiguas y requieren una refrigeración sofisticada para reducir las corrientes de fuga (fuente de ruido). También sufren degradación con el tiempo por la radiación , sin embargo, esto se puede reducir en gran medida gracias al efecto Lázaro .
Los detectores de diamante tienen muchas similitudes con los de silicio, pero se espera que ofrezcan ventajas significativas, en particular una alta resistencia a la radiación y corrientes de deriva muy bajas. También son adecuados para la detección de neutrones. Sin embargo, en la actualidad son mucho más caros y más difíciles de fabricar.
Los detectores de germanio se utilizan principalmente para espectroscopia gamma en física nuclear , así como para espectroscopia de rayos X. Mientras que los detectores de silicio no pueden tener un espesor mayor que unos pocos milímetros, el germanio puede tener un espesor de capa sensible (región de agotamiento) de centímetros, y por lo tanto puede utilizarse como detector de absorción total para rayos gamma de hasta unos pocos MeV. Estos detectores también se denominan detectores de germanio de alta pureza (HPGe) o detectores de germanio hiperpuro. Antes de que se perfeccionaran las técnicas de purificación actuales, no se podían producir cristales de germanio con la pureza suficiente para permitir su uso como detectores de espectroscopia. Las impurezas en los cristales atrapan electrones y huecos, arruinando el rendimiento de los detectores. En consecuencia, los cristales de germanio se doparon con iones de litio (Ge(Li)), para producir una región intrínseca en la que los electrones y huecos pudieran alcanzar los contactos y producir una señal.
Cuando se desarrollaron los detectores de germanio, solo se disponía de cristales muy pequeños. El resultado era una baja eficiencia, y la eficiencia de los detectores de germanio todavía se suele citar en términos relativos a un detector de centelleo de NaI(Tl) "estándar" de 3″ x 3″. Las técnicas de crecimiento de cristales han mejorado desde entonces, lo que permite fabricar detectores de un tamaño igual o mayor que los cristales de NaI disponibles habitualmente, aunque estos detectores cuestan más de 100.000 euros (113.000 dólares estadounidenses).
A partir de 2012 [actualizar], los detectores HPGe utilizan comúnmente la difusión de litio para hacer un contacto óhmico n + y la implantación de boro para hacer un contacto p + . Los detectores coaxiales con un contacto central n + se denominan detectores de tipo n, mientras que los detectores de tipo p tienen un contacto central p + . El espesor de estos contactos representa una capa muerta alrededor de la superficie del cristal dentro de la cual las deposiciones de energía no dan lugar a señales del detector. El contacto central en estos detectores es opuesto al contacto de la superficie, lo que hace que la capa muerta en los detectores de tipo n sea más pequeña que la capa muerta en los detectores de tipo p. Los espesores típicos de la capa muerta son varios cientos de micrómetros para una capa de difusión de Li y unas décimas de micrómetro para una capa de implantación B.
El principal inconveniente de los detectores de germanio es que deben enfriarse a temperaturas de nitrógeno líquido para producir datos espectroscópicos. A temperaturas más altas, los electrones pueden cruzar fácilmente la banda prohibida en el cristal y alcanzar la banda de conducción, donde son libres de responder al campo eléctrico, produciendo demasiado ruido eléctrico para ser útiles como espectrómetro. El enfriamiento a la temperatura del nitrógeno líquido (77 K) reduce las excitaciones térmicas de los electrones de valencia, de modo que solo una interacción de rayos gamma puede proporcionar a un electrón la energía necesaria para cruzar la banda prohibida y alcanzar la banda de conducción. El enfriamiento con nitrógeno líquido es inconveniente, ya que el detector requiere horas para enfriarse a la temperatura de funcionamiento antes de poder usarse, y no se puede permitir que se caliente durante el uso. Los cristales de Ge(Li) nunca se pueden calentar, ya que el litio se escaparía del cristal, arruinando el detector. Los detectores de HPGe se pueden calentar a temperatura ambiente cuando no se usan.
Se empezaron a comercializar sistemas comerciales que utilizan técnicas de refrigeración avanzadas (por ejemplo, refrigeradores de tubo de pulso ) para eliminar la necesidad de enfriamiento con nitrógeno líquido.
Los detectores de germanio con electrodos de múltiples bandas, ortogonales en caras opuestas, pueden indicar la ubicación en 2D de la estela de ionización dentro de un gran monocristal de Ge. Detectores como este se han utilizado en misiones astronómicas lanzadas desde globos COSI (NASA, 2016) y se utilizarán en un observatorio orbital (NASA, 2025) Compton Spectrometer and Imager (COSI).
Debido a que los detectores de germanio son altamente eficientes en la detección de fotones, [4] pueden utilizarse para una variedad de aplicaciones adicionales. Los detectores de germanio de alta pureza son utilizados por el Departamento de Seguridad Nacional para diferenciar entre material radiactivo de origen natural (NORM) y material radiactivo utilizado en armas o de otro modo dañino. [5] [6] También se utilizan para monitorear el medio ambiente debido a la preocupación por el uso de energía nuclear. [7] Finalmente, los detectores de germanio de alta pureza se utilizan para la investigación en imágenes médicas y física nuclear, lo que los convierte en un detector bastante diverso en lo que respecta a sus aplicaciones. [8]
Los detectores de telururo de cadmio (CdTe) y telururo de cadmio y zinc (CZT) se han desarrollado para su uso en espectroscopia de rayos X y espectroscopia gamma . La alta densidad de estos materiales significa que pueden atenuar eficazmente los rayos X y los rayos gamma con energías superiores a 20 keV que los sensores tradicionales basados en silicio no pueden detectar. La amplia brecha de banda de estos materiales también significa que tienen una alta resistividad y pueden funcionar a temperatura ambiente o cerca de ella (~295 K), a diferencia de los sensores basados en germanio . Estos materiales detectores se pueden utilizar para producir sensores con diferentes estructuras de electrodos para la obtención de imágenes y la espectroscopia de alta resolución . Sin embargo, los detectores de CZT generalmente no pueden igualar la resolución de los detectores de germanio, y parte de esta diferencia se debe a un transporte deficiente de portadores de carga positiva al electrodo. Los esfuerzos para mitigar este efecto han incluido el desarrollo de nuevos electrodos para anular la necesidad de que se recopilen ambas polaridades de los portadores. [9] [10]
Los detectores de semiconductores suelen integrarse comercialmente en sistemas más grandes para diversas aplicaciones de medición de radiación.
Los espectrómetros gamma que utilizan detectores HPGe se utilizan a menudo para la medición de niveles bajos de radionucleidos emisores de rayos gamma en muestras ambientales, lo que requiere un entorno de bajo nivel de ruido de fondo, que normalmente se consigue encerrando la muestra y el detector en un blindaje de plomo conocido como "castillo de plomo". Se han desarrollado sistemas automatizados [11] para mover secuencialmente una serie de muestras dentro y fuera del castillo de plomo para la medición. Debido a las complejidades de abrir el blindaje y mover las muestras, esta automatización ha sido tradicionalmente costosa, pero recientemente se han introducido muestreadores automáticos de menor costo. [12]
Los detectores de semiconductores, especialmente los de HPGe, suelen integrarse en dispositivos para caracterizar los residuos radiactivos embalados. Esto puede ser tan sencillo como montar los detectores en una plataforma móvil para llevarlos a una zona para realizar mediciones in situ y combinarlos con un blindaje para restringir el campo de visión del detector al área de interés para realizar mediciones de "geometría de detector abierto" de una sola toma [13] o, para residuos en bidones, sistemas como el escáner gamma segmentado (SGS) combinan un detector de semiconductores con mecatrónica integrada para rotar el elemento y escanear el detector a través de diferentes secciones [14] . Si el campo de visión del detector se escanea a través de pequeñas áreas del elemento en múltiples ejes, como se hace con un escáner gamma tomográfico (TGS), se puede utilizar la tomografía para extraer información 3D sobre la densidad y las emisiones gamma del elemento [15] .
Los detectores de semiconductores se utilizan en algunas cámaras gamma y sistemas de imágenes gamma [16]
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