Detectores de SilícioLeandro Leal
leal @ socrates.if.usp.br
0. Física Nuclear Experimental
• Física Experimental– Física como ciência experimental– Experiência dá a resposta final
• Física Nuclear– Continuação dos conhecimentos
anteriores
1. História
• Construídos na década de 50• Comercializado a partir de 60’• 1ª vez detectores com alta resolução
em energia• Detecção da trajetória das partículas• Somente partículas carregadas
2. Detectores
• Detectores a gás• Detectores cintiladores• Detectores semi-condutores.
– Também conhecidos como detectores de estado-sólido
2. Detectores
• semi-condutores– Princípio análogo aos detectores a gás– A passagem de radiação gera pares
elétron-lacuna que são capturados por campos elétricos
2. Detectores
• Vantagens:– Energia média necessária para criar par é 10
vezes menor que nos gases– Maior ionização = maior resolução– Alta densidade = grande stopping power– Tempos de resposta muito rápidos
2. Detectores
• Desvantagens:– Em geral, precisam de um sistema de
resfriamento– Sensíveis a danos causados por radiação– Compactos
3. Semi-condutores
• Propriedades:– São materiais cristalinos em que sua camada
atômica mais externa possui uma estrutura de banda de energia
3. Semi-condutores
• Bandas de energia:– O tamanho do gap é determinado por:
• Espaço entre os átomos• Temperatura• Pressão
– Eg aproximadamente 6eV nos isolantes– Eg aproximadamente 1eV nos semi-condutores
3. Semi-condutores
• Bandas de energia:
isolante Semi-condutor condutor
Gap De
EnergiaBanda deCondução
Banda deValência
3. Semi-condutores
• Portadores de carga:
A corrente surge de duas fontes:• Elétrons• Lacunas
3. Semi-condutores
• Velocidade e densidade de corrente
EvvnevJETEv
le )(),(
mobilidade
3. Semi-condutores
• Recombinação– Contrário da produção elétron-lacuna– Emitem fótons– Centros de Recombinação são
resultados de impurezas• Principal processo• Níveis adicionais nos gaps de energia
3. Semi-condutores
• Impurezas x Dopantes– Impurezas atrapalham nas medições pois
capturam as partículas• Níveis profundos energia (centro)
– Dopantes realçam as características do detector
• Níveis rasos (próximo as bandas)• Pouco dopante ~ 10^13
3. Semi-condutores
• Semi-condutores dopados– Puros (Intrínsecos) => ne = hl– Muda-se esse balanço introduzindo átomos
com + ou – 1 elétron na camada de valência
– Si é tretravalente• Dopantes tri e pentavalente
3. Semi-condutores
• Dopante pentavalente (tipo-N)– Doadores (Ar,P)– Sobra um elétron (o que não torna o cristal carregado)– Elétron num nível de energia discreto próximo
a camada de condução– Facilmente excitado– Corrente majoritária de elétrons
3. Semi-condutores
• Dopante trivalente (tipo-P)– Receptores (Ga,B,I)– Falta um elétron (aumenta o número de lacunas)– lacuna num nível de energia discreto próximo
a camada de valência– Facilmente excitado– Corrente majoritária de lacunas
3. Semi-condutores
• Semi-condutores Compensados– Todos os semi-condutores tem impurezas– Quando em igual quantidade são chamados
de compensados– Altas resistividades ~ 100.000 Ohm.cm
3. Semi-condutores
• Junção PN– Semelhante ao diodo– Justaposição de matérias tipos P e N
elétrons lacunasN P
corrente
3. Semi-condutores
• Junção PN– Estrutura Inicialmente Neutra– Cargas migram e geram um potencial
chamado Potencial de Contato– Devido ao campo elétrico, o material entra em
equilíbrio e cria a Zona de Depleção
3. Semi-condutores
• Zona de Depleção– Vazia de portadores de carga– Quando um par é criado, imediatamente é
“chutado” pra fora da zona pelo campo elétrico.
– Análogo a uma câmara de ionização
3. Semi-condutores
• Zona de Depleção– O campo elétrico é muito pequeno para a detecção de
radiação– Pouco espessa– Alta capacitância– Capacitância gera ruído– d ~ 75 micrometros
dAC
3. Semi-condutores
• Junção polarizada inversamente– Aplica-se uma tensão (bias) na extremidade
do material– Aumenta o campo elétrico e a zona de
depleção– No Si para V = 300 V:
• d ~ 1 mm >> 75 micrometro
4. Características
– Eletrodos dos dois lados da junção para coletar cargas
– Utiliza-se materiais tipos N+ e P+ nos terminais
– Baixa energia media para a criação do par elétron-lacuna
• E. perdida = 3,62 eV• E. necessária = 1,16 eV
4. Características
– Presença de uma corrente de fuga• Ruído• Limite inferior de altura de pulso• Portadores minoritários• Contaminantes• Temperatura ambiente
4. Características
– Trabalha a temperatura ambiente– Tamanho reduzido A ~ 10 cm^2– Resposta linear com a energia
5. Tipos - Energia
• Diodo de Junção Difusa– Os primeiros fabricados– Difundir impurezas tipo-N em material
homogeno tipo-P (~ 1000 °C)– Zona mais estendida para a região P
• Camada “morta”– Tempo de vida dos portadores de carga diminui
5. Tipos - Energia
• Diodo de Junção Difusa– Vantagens:
• Robustez• Alta resistência a contaminantes na superfície do
detector
5. Tipos - Energia
• Barreira de Superfície– O mais usado– Resultado da junção de um semi-condutor
com um metal• Tipo-N + Ouro• Tipo-P + Alumínio
– d ~ 5 mm
5. Tipos - Energia
• Barreira de Superfície– Feito a temperatura ambiente– Ouro evaporado sobre a superfície– Vantagens:
• Detectores totalmente depletados• Alta resolução• Curto tempo de coleção < 10 ns
5. Tipos - Energia
• Barreira de Superfície– Desvantagens:
• Sensíveis a luz• Sensíveis a contaminação
– Manupilar com cuidado
–Nunca por o dedinho no metal– Cuidado com o óleo da câmara
5. Tipos - Energia
• Diodo de Íons implantados– Formado pelo bombardeamento do cristal
com um feixe de íons de um acelerador– Processo muito mais controlado– Menor ruído– Mais estável. Os mais caros, mais bonitos e
os mais cheirosos
5. Tipos - Energia
• Lithium drifted Sillicon Si(Li)– Feito de material compensado– d ~ 15 mm
• Possível detectar Beta e raios-X de baixa energia– Muito sensível a luz. Precisa ser resfriado.
5. Tipos - Posição
• Detector tipo “pad”– Conjunto de células operando independentes– Cada célula é uma junção PN implantadas
num substrato de silício isoladas por uma camada de SiO_2
– Resolução determinada pelo tamanho da célula
5. Tipos - Posição
• Detector Multifilar Sensível à Posição– Fios estendidos paralelamente em um só
sentido– Três camadas de fio para detecção bi-
dimensional– Circuito em serie de resistores ligados aos
fios
5. Tipos - Posição
• Detector tipo “microstrip”– Linhas implantadas na superficie do detector– Trilhas de 10 micrometros– Resolucao de 1 micrometro– Fina espessura ~ 300 micrometros
• Tempo de coleta muito curto < 10 ns• Usados como triggers
5. Tipos - Posição
• Detector tipo “Active Pixel”– Semelhante ao detector tipo “pad”– Pequenas células ~ 30 micrometros– A diferença esta na eletrônica de frente
(readout) que é integrada diretamente em cada uma das células
• Menor capacitância• Maior robustez
5. Tipos - Posição
• Detector tipo “Silicon Drift”– Chapa de silício do tipo-N com “flats” tipo P+
incrustados dos dois lados– Sendo o ultimo flat do tipo-N e aplicando-se
um campo elétrico ao detector os elétrons migram em direção ao flat tipo-N
– Com o auxilio de um trigger pode-se saber qual a posição das partículas