Halbleiterdetektoren

Halbleiterdetektoren
Anastasia Dranischnikowa
17. November 2008
1 Das Messprinzip
Der Halbleiterdetektor beruht auf den Eigenschaften von Halbleitern, wobei als Ausgangsmaterialien
Silizium- oder Germaniumkristalle herangezogen werden. Diese haben im Gegensatz zu Isolatoren eine
kleine Energielücke (Silizium 1,14 eV, Germanium 0,67 eV). Fällt ein geladenes Teilchen ein, so werden
Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband gehoben, wobei im Valenzband positive Löcher
entstehen. Somit ist der Halbleiter leitfähig und der Teilchendurchgang könnte im Prinzip nachgewiesen
werden. Man bevorzugt für Detektorzwecke dotierte Halbleiter mit einem p-n-Übergang.
2 Der p-n-Übergang
Wird ein vierwertiges Atom (Si, Ge) durch ein fünfwertiges Atom (P, As) im Kristall ersetzt, so ist bei
der Elektronenpaarbindung zu den Nachbaratomen ein Elektron übrig, welches nur schwach gebunden
ist. Im Bändermodell sind die Donatorenzentren unterhalb des Leitungsbandes angeordnet, wobei der
Energieunterschied von der Gröÿenordnung 0,05 eV ist. Durch kleinste Energiezufuhr werden Elektronen in das Leitfähigkeitsband gebracht. Besteht die Gitterstörstelle aus einem dreiwertigen Element,
wie Bor oder Indium, so fehlt bei der Elektronenpaarbindung mit den Nachbaratomen ein Elektron.
Sie kann vervollständigt werden, wenn ein Elektron von einem benachbarten vierwertigen Atom hinüberwechselt. Das gestörte Siliziumatom wird sich zur vollständigen Paarbildung wieder ein anderes
Elektron holen. Ein positives Loch wandert somit durch den Kristall und bewirkt eine Leitfähigkeit.
Im p-n-Übergang werden zwei Halbleiter vom p-Typ und n-Typ aneinandergesetzt. Nun diundieren
die Elektronen des n-Typs in den p-Typ und Löcher des p-Typs in den n-Typ. Es nden Rekombinationen statt. In der nächsten Umgebung der Trennschicht entsteht als Folge eine Verarmungszone
an frei beweglichen Ladungsträgern. Legt man zusätzlich eine el. Spannung an, so verhält sich das
Gebilde wie eine Diode. Durch Anlegung der äuÿeren Spannung in Sperrrichtung wird der Bereich der
Verarmungszone vergröÿert. Die Idee des Halbleiterdetektors besteht darin, die erzeugten freien Ladungsträger in einem äuÿeren Driftfeld zu sammeln, bevor sie mit den Löchern rekombinieren können.
Wenn das gelingt ist das gemessene Ladungssignal dem Energieverlust des Teilchens oder, falls das
Teilchen im Detektor seine komplete Energie abgibt, der Teilchenenergie proportional.
3 Energieauösung
Geladene Teilchen oder Photonen erzeugen Elektron-Loch-Paare. Der groÿe Vorteil von Halbleiterzählern ist, dass die mittlere Energie zur Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares im Vergleich zu Gasen
gering ist. Für Silizium benötigt man 3,6 eV (für Germanium 2,8 eV) zur Bildung eines ElektronLoch-Paares im Vergleich zu ca. 30 eV bei Gasen. Dadurch lassen sich sehr gute Energieauösungen
erreichen. In den Szintillatoren benötigt man zur Erzeugung eines Photoelektrons zwischen 400 und
1000eV. Die Energieauösungen von Halbleiterzählern sind also typisch um einen Faktor 10-50 besser
als in Szintillatoren.
1
4 Ortsauösung
4.1
Streifenzähler
Bei einem etwas anderen Aufbau lassen sich die Halbleiterdetektoren auch zur Ortmessung verwenden,
dazu unterteilt man die Elektroden in Streifen. Die vom durchiegenden Teilchen freigesetzte Ladung
verteilt sich auf mehrere benachbarte Streifen. Der Ort des Teilchendurchgangs wird als Schwerpunkt
Abbildung 1: Streifendetektor
der nachgewiesenen Ladungen ermittelt Aus der Ladungsverteilung auf den Auslesestreifen lassen sich
Ortauösungen von der Gröÿenordnung 10 µm erreichen. Somit bekommt man aber nur eine Ortskoordinate. Eine zweidimensionale Information lässt sich erhalten, wenn auf beiden Seiten des Siliziumchips
durch zueinander orthogonale Streifen ausgelesen wird. Solche Streifendetektoren sind die wichtigsten
Abbildung 2: Zwei
Koordinaten lassen sich durch zueinander senkrechte Streifen bestimmen
Vertexdetektoren, die für präzise Vermessung der Spuren und Lebensdauerbestimmung von kurzlebigen Teilchen eingesetzt werden(zum Beispiel am Aleph-Experiment). Ein Vertex-Detektor besteht
nämlich aus zwei Lagen von 96 beidseitig mit Streifen ausgelesenen Silizium-Streifen-Detektoren, die
auf zwei Zylinderschalen mit Radien von 62 und 105 mm und der Länge 205 mm angeordnet sind. Es
sind insgesamt 73 728 analoge Auslesekanäle vorhanden.Da sich Vertex-Detektor im kleinen Abstand
von Wechselwirkungspunkt bendet, so können die Spuren von Sekundärvertizes festgehalten werden
und daraus auf die Lebensdauer von kurzlebigen Teilchen geschloÿen werden.
4.2
CCD's
Eine Art, die Auslese von Siliziumdetektoren zu vereinfachen, wird bei den Charged-Coupled Devices
(CCD's) verwendet. Unterteilt man ein Silizium-Bauteil matrixförmig in viele Elektrodenplättchen, die
elektrisch durch Potentialwälle gegeneinander abgeschirmt sind, so kann man die von einem komplexen Ereignis erzeugten Energiedepositionen, die in den Kathodenplättchen gespeichert sind, zeilenweise
auslesen. Es können dabei Ortauösungen von 5 µm erreicht werden. Die Vorteile der CCD's bestehen darin, dass es sich zweidimensionale Abbildungen der Teilchenspuren in einer Ebene senkrecht
zur Strahlrichtungergeben ergeben; wenn also mehrere Spuren aus einer Reaktion auftreten, ist die
Fähigkeit des CCDs diese zu trennen, viel besser als die eines Streifendetektors, da bei diesem eine
Mehtdeutigkeit der Ergebnisse bei einem komplexen Ereignis vorliegt.
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Abbildung 3: Querschnitt
eines Vertexdetektors
5 Anwendungen von Halbleiterdetektoren
Zu den wichtigsten Anwendungen der Halbleiterdetektoren zählen: Alpha-, Beta- und Gammaspektroskopie wegen der präzisen Energieauösung;auÿerdem können sie als Trigger einer komplizierten
Apparatur in Hochenergieexperimenten oder als Vertex-Detektoren zur Messung von Lebensdauer an
Speicherringexperimenten verwendet werden.
6 Nachteile der Halbleiterdetektoren
Halbleiterdetektoren zeigen unter Strahlenbelastung Alterungseekte, die sich in Erhöhung des Leckstromes äuÿern, d.h. sie besitzen nur begrenzte Lebensdauer in Bereichen mit hoher Strahlenbelastung.
Desweiteren ist die Gröÿe der Detektoren momentan auf die Fläche 70mm*70 mm beschränkt, da keine
gröÿeren Einkristalle industriell hergestellt werden.
7 Literaturverzeichnis
• Allkofer, Otto Claus: Teilchen-Detektoren, München 1971
• Grupen, Claus: Teilchendetektoren, Mannheim 1993
• Kleinknecht, Konrad:Detektoren für Teilchenstrahlung, Wiesbaden 2005
• www.weltderphysik.de
• http://www.physicsmasterclasses.org/mc.htm
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