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