Detector de semiconductores

La mayoría de los detectores de partículas de silicio funcionan, en principio, dopando tiras estrechas de silicio (generalmente de unos 100 micrómetros de ancho) para convertirlas en diodos , que luego se polarizan inversamente . Cuando las partículas cargadas pasan a través de estas tiras, causan pequeñas corrientes de ionización que pueden detectarse y medirse. ^{[ 4 ]} La disposición de miles de estos detectores alrededor de un punto de colisión en un acelerador de partículas puede proporcionar una imagen precisa de las trayectorias que 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 . La desventaja 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 debido a la radiación ; sin embargo, esto puede reducirse en gran medida gracias al efecto Lázaro .

Los detectores de diamante tienen muchas similitudes con los detectores de silicio, pero ofrecen ventajas significativas, como la insensibilidad a la luz solar, el funcionamiento a altas temperaturas, la respuesta rápida y la resistencia a la radiación. También son muy adecuados para la detección de neutrones y son una opción que se está explorando para su uso en entornos hostiles donde otros métodos de detección no son viables. Este desarrollo está motivado por la necesidad de dicha monitorización en los recipientes de contención de reactores nucleares, especialmente tras el accidente de la central nuclear de Fukushima . ^{[ 5 ]} Se han realizado mejoras adicionales con respecto a la tolerancia a la radiación con el desarrollo de estructuras tridimensionales para estos dispositivos. ^{[ 6 ]} Los detectores semiconductores de diamante también se han utilizado en la investigación de la fusión nuclear , la física de altas energías y la física médica . Sin embargo, en la actualidad no han tenido un uso tan generalizado como los detectores de silicio y germanio debido al coste y a las dificultades en el proceso de fabricación.

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 grosor superior a unos pocos milímetros, el germanio puede tener una capa sensible ( región de agotamiento ) de centímetros de espesor, 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. ^{[ 4 ]} Antes de que se perfeccionaran las técnicas de purificación actuales, no era posible producir cristales de germanio con la pureza suficiente para su uso como detectores de espectroscopia. Las impurezas en los cristales atrapan electrones y huecos, lo que perjudica 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 generar una señal.

Cuando se desarrollaron los primeros detectores de germanio, solo se disponía de cristales muy pequeños. Esto resultó en una baja eficiencia, y la eficiencia de los detectores de germanio todavía se suele expresar en términos relativos a un detector de centelleo NaI (Tl) estándar de 3″ x 3″. Desde entonces, las técnicas de crecimiento de cristales han mejorado, lo que permite fabricar detectores tan grandes o incluso más grandes que los cristales de NaI disponibles habitualmente, aunque estos detectores cuestan más de 100 000 € (113 000 US$).

A partir de 2012Los detectores HPGe suelen utilizar la difusión de litio para crear un contacto óhmico n ⁺ y la implantación de boro para crear 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 ap ⁺ . El grosor de estos contactos representa una capa muerta alrededor de la superficie del cristal, dentro de la cual los depósitos de energía no generan señales en el detector. El contacto central en estos detectores es opuesto al contacto superficial, lo que hace que la capa muerta en los detectores de tipo n sea menor que la capa muerta en los detectores de tipo p. Los grosores típicos de la capa muerta son de varios cientos de micrómetros para una capa de difusión de Li y de unas pocas décimas de micrómetro para una capa de implantación de 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 dar a un electrón la energía necesaria para cruzar la banda prohibida y alcanzar la banda de conducción. ^{[ 4 ]} 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 su uso. Los cristales de Ge(Li) nunca podrían calentarse, ya que el litio se desplazaría fuera del cristal, arruinando el detector. Los detectores HPGe pueden dejarse calentar a temperatura ambiente cuando no están en uso.

Se han comercializado sistemas que utilizan técnicas de refrigeración avanzadas (por ejemplo, refrigeradores de tubo pulsado ) para eliminar la necesidad de refrigeración con nitrógeno líquido.

Los detectores de germanio con electrodos multibanda, ortogonales en caras opuestas, pueden indicar la ubicación bidimensional del rastro de ionización dentro de un gran monocristal de Ge. Detectores como este se han utilizado en las misiones astronómicas COSI a bordo de globos (NASA, 2016) y se utilizarán en un observatorio orbital (NASA, 2025), el espectrómetro e imagenador Compton (COSI).

Debido a que los detectores de germanio son altamente eficientes en la detección de fotones, ^{[ 7 ]} pueden utilizarse para una variedad de aplicaciones adicionales. El Departamento de Seguridad Nacional utiliza detectores de germanio de alta pureza para diferenciar entre material radiactivo de origen natural (NORM) y material radiactivo utilizado como arma o de otro modo dañino. ^{[ 8 ] [ 9 ]} También se utilizan en el monitoreo del medio ambiente debido a la preocupación por el uso de energía nuclear. ^{[ 10 ]} Finalmente, los detectores de germanio de alta pureza se utilizan para imágenes médicas e investigación en física nuclear, lo que los convierte en un detector bastante diverso en cuanto a aplicaciones. ^{[ 11 ]}

Se han desarrollado detectores de telururo de cadmio (CdTe) y telururo de cadmio y zinc (CZT) para su uso en espectroscopia de rayos X y espectroscopia gamma . La alta densidad de estos materiales permite atenuar eficazmente los rayos X y gamma con energías superiores a 20 keV , que los sensores tradicionales basados ​​en silicio no pueden detectar. La amplia banda prohibida de estos materiales también implica una alta resistividad y la capacidad de operar a temperatura ambiente (~295 K) o cerca de ella, a diferencia de los sensores basados ​​en germanio . ^{[ 4 ]} Estos materiales detectores pueden utilizarse para producir sensores con diferentes estructuras de electrodos para imágenes y espectroscopia de alta resolución . Sin embargo, los detectores de CZT generalmente no alcanzan la resolución de los detectores de germanio, y parte de esta diferencia se atribuye al deficiente transporte de portadores de carga positiva hacia el electrodo. Los esfuerzos para mitigar este efecto han incluido el desarrollo de nuevos electrodos para eliminar la necesidad de recolectar portadores de ambas polaridades. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Los espectrómetros gamma que utilizan detectores HPGe se emplean frecuentemente para medir bajos niveles de radionúclidos emisores de rayos gamma en muestras ambientales, lo que requiere un entorno de bajo ruido de fondo, que generalmente se logra encerrando la muestra y el detector en un blindaje de plomo conocido como «castillo de plomo». Se han desarrollado sistemas automatizados ^{[ 14 ]} para introducir y extraer secuencialmente varias muestras del castillo de plomo para su medición. Debido a la complejidad de abrir el blindaje y mover las muestras, esta automatización ha sido tradicionalmente costosa, pero recientemente se han introducido automuestreadores de menor costo. ^{[ 15 ]}

Los detectores semiconductores, especialmente los HPGe, se integran a menudo en dispositivos para la caracterización de residuos radiactivos empaquetados . Esto puede ser tan sencillo como montar los detectores en una plataforma móvil para trasladarlos a una zona para realizar mediciones in situ y combinarlos con blindaje para restringir el campo de visión del detector a la zona de interés para mediciones puntuales de "geometría de detector abierto" ^{[ 16 ]} o, para residuos en bidones, sistemas como el escáner gamma segmentado (SGS) combinan un detector semiconductor con mecatrónica integrada para rotar el objeto y escanear el detector a través de diferentes secciones ^{[ 17 ]} . Si el campo de visión del detector se escanea a través de pequeñas áreas del objeto en múltiples ejes, como se hace con un escáner gamma tomográfico (TGS), la tomografía puede utilizarse para extraer información 3D sobre la densidad y las emisiones gamma del objeto ^{[ 18 ] .}

Los detectores semiconductores se utilizan en algunas cámaras gamma y sistemas de imágenes gamma ^{[ 19 ].}