3.3 – Halbleiterdetektor

 

Im Gegensatz zu den bisher besprochenen Verfahren haben wir nun eine Festkörperionisationskammer. Üblicherweise werden Silizium und Germanium benutzt. Der Detektor ist im Prinzip eine Diode, an die eine Gleichspannung in Sperrrichtung angelegt ist, so dass normalerweise kein Strom fließt. Erzeugt nun die einfallende Strahlung im Material Elektron-Loch-Paare, also freie Ladungsträger, wandern diese im elektrischen Feld zu den Elektroden und sind als Stromimpuls messbar.

Wie viele Elektron-Loch-Paare ein Teilchen oder Quant der einfallenden Strahlung freisetzt, hängt neben seiner Energie maßgeblich von der Bandlückenenergie des verwendeten Materials ab. Je nach Art der ionisierenden Strahlung entstehen die im Detektor erzeugten Ladungswolken auf unterschiedliche Weise. Ein geladenes Teilchen erzeugt entlang seiner Bahn eine Ionisationsspur, während ein Photon bei Wechselwirkung über den Fotoeffekt die gesamte Ladung praktisch an einem Punkt freisetzt.

Aufbau:

halbleiterdetektor-schaltplan

Gemessene Spannung beim Eintreffen eines Teilchens:

halbleiterdetektor-spannung-gemessen-verlauf

Eigenschaften dieses Detektors:

  • Halbleiterdetektor hat schnellere Anstiegszeit als eine Gasionisationskammer
  • Höhere Dichte des Feststoffes, daher größere Nachweiswahrscheinlichkeit
  • {E_{gap}} = 1,1eV,\quad \left\langle {{E_{ion}}} \right\rangle = 3,1eV

Wie schon bei der normalen Ionisationskammer gilt für die Teilchenenergie:

{E_{Teilchen}} = \frac{q}{e}\left\langle {{E_{Ionisierung}}} \right\rangle = N\left\langle {{E_{Ionisierung}}} \right\rangle

Energieunschärfe der statistisch unabhängigen Ereignisse:

\Delta E = \sqrt N \left\langle {{E_{Ionisierung}}} \right\rangle

\frac{{\Delta E}}{E} = \frac{1}{{\sqrt N }}

Nicht statistisch unabhängig:

\Delta E = \frac{{\sqrt N }}{F}\left\langle {{E_{Ionisierung}}} \right\rangle

Korrekturfaktor (Fano-Faktor):

F \approx 3,\quad {\left\langle {{E_{Ionisierung}}} \right\rangle _{Si}} = 3,1eV

\Rightarrow \quad \Delta E = \sqrt N \cdot 1eV

Genauigkeit, die man auf Grund von statistischen Prozessen erreichen kann:

\frac{{\Delta E}}{E} = \frac{{\sqrt N \frac{{\left\langle {{E_{Ionisierung}}} \right\rangle }}{F}}}{{N\left\langle {{E_{ionisierung}}} \right\rangle }} = \frac{1}{{\sqrt N F}}

Wenn man also zehn Mal länger misst, steigt die Genauigkeit etwa um den Faktor 3.

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