DETECTORES SEMICONDUCTORES

 Tal como se discutió en la sección anterior, los materiales sólidos semiconductores (Germanio y Silício) son alternativas a los centelleadores para construir detectores de radiación. Ambos, el Ge y el Si, forman cristales sólidos en los cuales los átomos de valencia 4 forman cuatro enlaces covalentes con los átomos vecinos. Todos los electrones de valencia, participan por tanto, en los enlaces y la estructura de bandas muestra una banda llena de valencia y una banda de conducción vacía. La diferencia entre un aislante y un semiconductor reside en el tamaño del gap de energía, el cual es del orden de 5 eV en un aislante y de 1 eV en un semiconductor. A temperatura ambiente, un pequeño número de electrones (en torno a 1 de cada 109) se encuentran térmicamente excitados en la banda de conducción, dejando una vacante en la banda de valencia. Según los electrones de átomos cercanos llenan esa vacante (creando en el proceso una nueva vacante), ésta parece moverse a través del cristal (pero por supuesto los átomos cargados positivamente no se mueven).

 Para controlar la conducción eléctrica de los semiconductores, pequeñas cantidades de materiales llamados dopantes son añadidos. En el proceso de dopado, los átomos con valencia 3 o 5 son introducidos en la red cristalina. En el caso de los átomos de valencia 5 (P,As,Sb), cuatro de los electrones forman enlaces covalentes con los átomos vecinos de Si o Ge. El quinto se puede mover libremente a traves de la red cristalina y foma un conjunto de estados discretos "donores" justo bajo la banda de conducción. Debido a que existe un exceso de transportadores de carga negativa, este material se llama semiconductor de tipo-n. Por otro lado, se puede usar átomos de valencia 3, los cuales intentan formar 4 enlaces covalentes, produciendo un exceso de vacantes. Estos forman estados "aceptores" justo sobre la banda de valencia y el material recibe el nombre de semiconductor tipo-p debido a que los conductores dominantes de carga son las vacantes cargadas positivamente.

 Hay que recordar que la denominación tipo-n o tipo-p hacen referencia al signo de la carga de los conductores de corriente eléctrica, siendo los materiales eléctricamente neutros.

 Cuando se ponen en contacto un material de tipo-p con uno de tipo-n, los electrones del semiconductor de tipo-n pueden difundirse a través de la unión en el semiconductor de tipo-p y combinarse con las vacantes. En las proximidades de la unión p-n, los conductores de carga son neutralizados, creando una región denominada zona de deplexión. La difusión de electrones de la región tipo-n deja atrás estados ionizados donores fijos, mientras que en la región tipo-p quedan estados aceptores fijos cargados negativamente. Se crea por tanto un campo eléctrico que finalmente impide que la difusión continúe.Se forma una unión p-n típica de un diodo.

 Si alguna radiación penetra en la zona de deplexión y crea un par electrón-hueco, el resultado es muy simular al de una cámara de ionización. De hecho, la zona de deplexión tiene un gran parecido con un condensador plano-paralelo. Los electrones fluyen en una dirección y las vacantes en la otra. El número final de electrones recogidos pueden crear un pulso electrónico cuya amplitud es proporcional a la energía de la radiación.

 En la práctica estos detectores operan con grandes voltajes inversos (1000-3000V) que aumentan la magnitud del campo eléctrico en la región de deplexión (haciendo más eficiente la recogida de la carga) y aumentando la región de deplexión (aumentando el volumen de sensibilidad del detector) forzando a más cargas que se desplacen de un tipo de material al otro.

 A la hora de formar estos detectores se puede partir de un semiconductor de tipo-p en el que se difunden átomos de Litio. La capa de tipo-n creada al producir detectores como Ge(Li) o Si(Li) es del orden de 1 mm de grosor, el cual es fácilmente penetrable por rayos gamma de energía media (el rango de un fotón de 100 keV en Ge es de unos 4 mm y en Si es de unos 2 cm). Sin embargo, para partículas cargadas el alcance es mucho menor (para un electrón de 1 MeV, al alcance es de 1 mm en Si y Ge; para una partícula alfa de 5 MeV, el alcance es de tan sólo 0.02 mm en ambos) y una capa del grosor de 1 mm como puede tener la capa-n, impediría a las partículas alcanzar la zona de deplexión.

 Para partículas cargadas, la mejor elección es un detector de barrera de superficie, en el que una capa tipo-p extremadamente fina se deposita en una superficie de Si de tipo-n. Una fina capa de oro es entonces evaporada en la superficie frontal para servir de contacto eléctrico. El grosor total que las partículas deben penetrar para alcanzar la región de deplexión es de unos 0.1 mm.

 El tiempo necesario para recoger la carga de un detector de gran volumen se encuentra en el rango de 10-100 ns, dependiendo de la geometría del detector (plano o coaxial) y en el punto de entrada de la radiación respecto a los electrodos. Este tiempo es mucho menor que el que se tiene con una cámara de ionización, dado que aquí el recorrido que deben hacer las cargas creadas se ve reducido en varios órdenes de magnitud.

 Otra ventaja de estos detectores consiste en que como se necesita menor energía para crear un par electrón-hueco (~3.6 eV/par en Si a 300K), se obtiene una excelente resolución energética.