Transcript Yarıiletken Dedektörler

VIII. ULUSLARARASI KATILIMLI PARÇACIK HIZLANDIRICILARI VE
DEDEKTÖRLERİ YAZ OKULU
YARIİLETKEN DEDEKTÖRLER
Doç. Dr. Serdar KARADENİZ
Türkiye Atom Enerjisi Kurumu
Sarayköy Nükleer Araştırma ve Eğitim Merkezi
1
• SENSÖR:
• Fiziksel bir niceliği bir sinyale dönüştüren
(genellikle elektrik sinyalidir) aygıttır.
• DEDEKTÖR:
• Sensörden gelen sinyali yükselten,
• Filtre edip biçimleyen, işleyen,
• Adresleyip depo eden,
• Gerektiğinde tekrar depodan çağırıp data
analizine imkan veren
BİR SİSTEMDİR
2
Yarıiletken sensörler
Işık sensörleri
Gaz sensörleri
(H, CO, Metan, …)
Hareket sensörleri
Sıcaklık sensörleri
Nem sensörleri
3
İyonize radyasyon sensörleri
• Yarıiletken sensörler (katıhal
sensörleri) temelde iyonizasyon
odalarıdır.
• Üzerine voltaj uygulanmış karşılıklı
iki elektrot arasındaki soğurma
ortamıdır.
• Soğurulan radyasyon yük oluşturur.
• Elektrik alan etkisi altında hareket
eden yükler elektrik akımını
oluşturur.
4
İyonize radyasyon sensörleri
• Oluşan yükler başka
atomlarla da
etkileşme yapabilir ve
enerjileri azalabilir.
• Ortam yeterli
yoğunlukta ise oluşan
yükler tekrar
soğurulur.
5
Algılama Teknikleri
1. Yüklerden yararlanmak
• Fotoğraf tekniği
• Sintilasyon tekniği
• Yarıiletken tekniği
2. Yük toplamlarından yararlanmak
• İyonizasyon odaları
• Orantılı sayaçlar
• Geiger-Müller
6
Algılama
• Radyasyon dedekte etme tekniklerinin hepsi
iyonizasyon prensibine dayanır.
• ALGILAMA = radyasyon etkisi ve şiddetinin sayısal
veya görüntü olarak değerlendirilmesidir.
• ALGILAMA = İYONİZASYON + EKSİTASYON
7
Algılama
İyonlaştırıcı parçacık yarıiletkene geldiğinde
3 farklı olay meydana gelir:
1. e-p çifti (yüksek enerjilerde)
2. Compton saçılması (orta enerjilerde)
3. Foto elektrik olay (düşük enerjilerde)
8
Neden Yarıiletken ?
•
•
•
•
•
•
Tüm dedektörler arasında en hızlı olanıdır.
Yoğun iyonizasyon ortamı vardır.
Hızlı zamanlama karakteristiği vardır.
Etkin kalınlıklara sahiptir.
Hacimce küçüktürler.
Gelen enerjiyle orantılı büyüklükte sinyal
verebilirler.
• Yüksek enerji çözünürlükleri vardır.
• Manyetik alanlara karşı duyarsızdırlar.
• Yüksek taşıyıcı verimleri vardır.
9
NaI ile sintilasyon
yarıiletken
Puls üretmek için 30 eV yeterlidir.
Puls üretmek için 3 - 6 eV yeterlidir.
Eneji çözünürlüğü düşük
Enerji çözünürlüğü yüksek
Enerji dönüşümü % 13
Enerji dönüşümü % 100
Ölü zaman: Yaklaşık 20000 sayım
Ölü zaman: yok
10
Dezavantajları
• Kısa ömürlü olmaları
• Çalışma karakteristiklerinin çevre şartları ile
değişmesi
• Uzun yollu parçacıkları durduramamaları
• Nükleer radyasyon hasarları
11
Atomik bant yapıları
• Elektronlar çekirdek
etrafında belirli enerji
seviyelerinde
bulunurlar.
• İzin verilen her bir bant
bir yasak bant aralığı
ile birbirinden
ayrılmıştır.
• Elektronlar izin verilen
bant aralıklarının
dışında bulunamazlar.
12
• Düşük sıcaklıklarda valans bandı
tamamen dolu ve iletkenlik bandı
tamamen boştur.
• Boş ve dolu bantlar elektriksel
iletkenliğe katılmazlar. Yani boş bant
ve dolu bant iletemez.
• 0 oK’de elektron en düşük seviyede
durur ve valans bant, en dolu
banttır.
• Yeterli enerjiyi alan elektron valans
bandından iletkenlik bandına doğru
ilerler ve geride bir boşluk bırakır ki
bunun adı deşiktir.
• Deşikler pozitif yükler gibi davranır.
13
Metaller
• İletkenlik ve değerlik bantları arasında aralık
yoktur.
• İletkenlik bandı ile değerlik bandı bitişik ya da
içiçe geçmiş şekildedir.
• Isıyı ve elektriği çok iyi iletirler.
14
Yalıtkanlar
• Eg’si 5 eV dan daha büyük (cam,
tahta, porselen…) malzemelerdir.
• Bant aralığının büyüklüğü
yalıtkanlarla yarıiletkenler
arasındaki farkı belirler.
• Yalıtkanlarda termal uyarma işlemi
erime sıcaklığına gelinse dahi bir
elektronu iletkenlik bandına
transfer etmek için yetmez.
• Yine çok yüksek 𝐸 bile elektronu
iletkenlik bandına transfer edemez.
15
Yarıiletkenler
Metallerin ve yalıtkanların elektriksel özellikleri
hakkında bilgimiz vardır. Elektriği çok iyi iletirler
ya da hiç iletmezler.
Peki yarıiletkenler için ne söyleyebiliriz?
Yani bir yarıiletkene bir pili bağlarsak ne olur?
• Elektiriği iletir mi, iletmez mi?
16
Yarıiletkenler
• İletkenlik değerleri metaller için 1010 (.cm)-1,
yalıtkanlar için 10-22 (.cm)-1 dir.
• Yarıiletkenin iletkenliği bu iki değer arasında değişir.
• Yarıiletken bazı durumlarda bir yalıtkan gibi davranır,
bazı durumlarda ise bir iletken gibi davranır.
• Yarıiletkenler elementel veya bileşikler halinde olabilir.
17
Yarıiletkenler
• Düşük sıcaklıklarda yarıiletkenler iletemez ve
yalıtkan gibi davranır.
• Çünkü dolu bandın üstündeki elektronun
enerjisi hala Eg’den küçüktür.
• Deşikler valans bandından, elektronlar ise
iletkenlik bandından akıma katkıda bulunur.
• Deşikler serbest parçacık değildir. Elektron
boşluklarıdır.
18
Yarıiletkenler
Akım akışı sırasında valans bandındaki
deşiklerle, iletkenlik bandındaki
elektronların sayıları birbirine eşittir.
Geçişten sonra valans bandı kısmen
doludur ve artık iletime katkıda
bulunabilir.
Deşikler elektronların yerdeğiştirmesinden
dolayı sıralı geçiş olasılığına sahiptir, bu
yüzden elektronlara göre daha yavaş
hareket ederler.
19
Gerçek (Intrinsic) yarıiletken
• Intrinsic (gerçek) yarıiletkenler son derece
saf yarıiletkenlerdir. Elektron ve deşik
sayıları birbirine eşittir.
• Saf yarıiletken malzemelerin elektriksel
karakteristiklerinin değiştirilmesi için kristal
içerisine safsızlıklar (periyodik tablonun III ve
V nolu kolonlarındaki atomlar) yerleştirilir.
Buna doping (katkılama) işlemi denir.
• P ve n tipi olmak üzere iki tip katkılandırılmış
yarıiletken (extrinsic) vardır.
𝑛𝑝 = 𝑛𝑖2
Elektronu uyarma mekanizmaları
1. Termal enerji
Termal enerji = 𝑘𝑇 = (1,38x10-23J/K)(300K)
= 25meV
Oda sıcaklığındaki küçük termal enerji bile birçok
elektronun valans bandından iletkenlik bandına
doğru uyarılmasına sebep olur.
21
Elektronu uyarma mekanizmaları
2. Elektrik alan
Uygulanan bir 𝐸 alanla bir elektron valans
bandından iletkenlik bandına doğru uyarılabilir.
3. Elektromanyetik radyasyon
Elektromanyetik bir radyasyonla elektron
uyarılabilir.
22
8
𝑐
3𝑥10
𝑚/𝑠
−34
𝐸 = ℎ𝛾 = ℎ = 6,62𝑥10 𝑗𝑠
𝜆
𝜆(𝑚)
1,24
=
𝜆(𝜇𝑚)
Örneğin silikon için (Eg=1,1eV)
𝜆 𝜇𝑚 =
1.24
1.1
= 1.1𝜇𝑚 (yakın IR bölge)
Yani elektronları uyarmamız için 1.1𝜇𝑚 veya daha
küçük dalga boylu ışığı kullanmamız yeterli.
23
P-tipi yarıiletken
• Atom numarası Z olan
bir yarıiletken alırsak,
eğer katkılandırıcı Z-1
atom numarasına
(örneğin 3 elektronlu B
veya Al) sahipse,
bağlardan birinde bir
elektron eksikliği olacak
ve komşu atomdan bir
elektron alacak.
24
P-tipi yarıiletken
Değerlik bandına katkıda
bulunan böyle
katkılandırıcılara acceptor
(alıcı) denir.
Her eklenen alıcı atom
değerlik bandında bir
deşik oluşmasına sebep
olur.
25
N-tipi yarıiletken
• Atom numarası Z olan
bir yarıiletken alırsak,
eğer katkılandırıcı Z+1
ise (örneğin 5 elektronlu
P veya As) kabuk
elektronlarından sadece
bir tanesi zayıf bağlıdır
ve termal uyarma ile
iletim bandına geçer.
Böylece elektronlar
hareketli yük taşıyıcıları
gibi davranır.
26
N-tipi yarıiletken
İletkenlik bandına elektron
katkısında bulunan böyle
katkılandırıcılara donor
(verici) denir.
Her eklenen verici atom
iletkenlik bandında bir
elektron oluşmasına sebep
olur.
27
Alıcılar ve vericiler
Bir donor iyonize olduğu zaman bir
elektron iletkenlik bandına doğru
gider, hareketli yüklere ilave olur ve
malzemeyi n tipi malzeme haline
getirir.
Oluşan pozitif yüklü donor merkezleri
düşük sıcaklıklarda elektronlar için bir
tuzak merkezleri halini alarak nötr olur.
Alıcı merkezleri elektronları yakalar ve
böylece değerlik bandına deşik
katkısında bulunur. Sonuçta bulunduğu
yarıiletkeni p tipi malzeme haline getirir.
Yasak enerji band aralığı sadece
saf (intrinsic) malzemeler için
geçerlidir.
Yeterince düşük sıcaklıklarda holler alıcı
merkezleri gibi lokalize olurlar ve nötr halini
alırlar.
28
• P - tipi yarıiletkende çoğunluk
taşıyıcıları DEŞİKLERDİR.

1
qN A
• N - tipi yarıiletkende çoğunluk
taşıyıcıları ELEKTRONLARDIR.
1

qN D
29
Elektronların iletkenlik bandındaki toplam konsantrasyonları;
𝑛 = 𝑁𝑐 𝑒𝑥𝑝 𝐸𝑓 − 𝐸𝑐 𝑘𝐵 𝑇
Deşiklerin değerlik bandındaki toplam konsantrasyonları;
𝑝 = 𝑁𝑣 𝑒𝑥𝑝 𝐸𝑣 − 𝐸𝑓 𝑘𝐵 𝑇
Tüketme tabakası genişliği katkılama
yoğunluğuna bağlıdır.
Verilen bir kalınlık için full tüketme
voltajı;
2V
W
q
 1
1 



 ND N A 
qNDW 2
V fd 
2
30
Metal/yarıiletken kontaklar
Metal-yarıiletken eklem
bölgesindeki akım akışı
çoğunluk taşıyıcılarıyla olur.
P tipindeki çoğunluk
taşıyıcıları deşikler, n-tipindeki
çoğunluk taşıyıcıları ise
elektronlardır.
qVbi = (Φm – Φs)
31
32
Akım transport mekanizmaları
• Schottky engelini geçen taşıyıcılarının
termiyonik emisyonu
• Taşıyıcıların yarıiletkenden metale
doğru geçişlerini kabul eden difüzyon
• Termoiyonik Emisyon-Difüzyon
• Termoiyonik Alan Emisyonu
• Alan Emisyonu
• Azınlık taşıyıcı enjeksiyonu
• Üretilme-yeniden birleşme
a
b
EF
qV
• Engel boyunca kuantum-mekaniksel
tünelleme
33
Akım transport mekanizmaları
J sm
 4π q m*k 2  2   qVn  Vbi   qV 
T exp
 
exp

3

h
kT
kT






  q Bn 
 qV 
 A*T 2 exp
 exp

kT
kT




  qΦBn 
J ms  A*T 2exp

 kT 

  qΦ Bn
J n  A * T 2 exp
 kT

   qV  
 exp
  1
kT

 
 
34
P-N Eklem
Bir pn eklem p ve n tipi
katkılandırılmış iki yarıiletkenin
biraraya gelmesiyle oluşur.
Kontakt anında elektronlar ve
deşikler her iki tarafa da
difüze olur.
İki malzemenin fermi
enerji seviyelerinin farkı
sonucunda difüzyon
potansiyeli Vbi oluşur.
35
P-N Eklem
Düz beslemde serbest taşıyıcılar
eklem bölgesine doğru hareketlenir.
Bir pn ekleme ters voltaj
uygulandığında
e’ler ve p’ler eklemden uzağa doğru
hareket eder.
Eklem bölgesi hareketli taşıyıcılar
tarafından tüketilir ve bölge yalıtkan
gibi davranır.
Bu denklem diyot denklemi olarak
adlandırılır ve pn ekleminin
karakteristikliğini belirler.
36
P-N Eklem
• Ters beslem altında eğer bu
bölgede radyasyon ile elektrondeşik çifti yaratılmışsa elektron n
tipi bölgeye, deşik ise p tipi
bölgeye doğru hareket eder
(itilir).
• Gelen radyasyonun etkisiyle
tüketim bölgesinde oluşturulan
e-p çiftleri oluşan elektrik
alanının etkisiyle bu bölgenin
dışına doğru sürüklenirler ve bir
sinyal oluşur.
• Bu elektrik sinyalinin genliği
radyasyon enerjisiyle orantılıdır.
37
P-N Eklem
Eklemdeki yüklerin
birbirinden ayrışmasıyla bir
kapasite meydana gelir.
PN eklemde akıma azınlık
taşıyıcıları katkıda bulunur.
Bu kapasite uygulanan voltaj ile
değişir.
38
P-I-N diyot
Gerçek yarıiletken ( 1012cm-3)
üzerine n ve p tipi bölgeler
oluşturulmuştur.
Yarıiletken kontaklar aşırı
katkılandırılmıştır ( 1018cm-3).
p elektroduna (–) n elektroduna
(+) beslem vererek geniş bir
tüketme bölgesi oluşturulur. Bu
da düşük bir eklem kapasitesi
oluşturur.
X-ışınları ve gama ışınları için
oldukça sık kullanılır.
Gelen radyasyonla oluşturulan e-p çiftleri
yüksek elektrik alanın yardımıyla
kontaklara doğru sürüklenir.
39
SiPM’ler (Silicon Photomultiplier)
Gelen bir parçacığın enerjisini
ölçülebilir bir elektronik sinyale
dönüştürür.
40
SiPM’ler (Silicon Photomultiplier)
41
SiPM’ler (Silicon Photomultiplier)
Foton algılayan bir diyottur.
Bir SiPM binlerce
fotodedektör hücrelerini
içine alır.
Her biri 20 – 100 m arasındadır.
Herbiri bir foton yakalar ve
belirli bir seviyede elektrik
sinyali oluşturur.
42
SiPM’ler (Silicon Photomultiplier)
Bir SiPM’den alınan sinyal tüm
hücrelerinden alınan sinyalin
toplamıdır.
Bir SiPM sadece 30-70V’luk bir çalışma
voltajı ister. Oysa klasik fotoçoğaltıcı
tüplerde birkaç bin voltluk besleme
voltajına ihtiyaç vardır.
43
Pozisyon algılama
(mikroşerit dedektörler)
• Sensördeki elektrotlar pozisyon bilgisi için segmentlere
ayrılmıştır (stripler).
• Elektrotlardan birinin üzerindeki sinyalin büyüklüğü o
elektrottaki yükün oluşumu ile ilgilidir. Bu da, gelen
parçacığın elektrotlar üzerindeki pozisyonunu verir.
44
Pozisyon algılama
(mikroşerit dedektörler)
• Bir açıyla gelen parçacık iki
veya daha fazla elektrot
üzerinde yük oluşturur.
• Yük biriktirme oranlarının
incelenmesiyle daha iyi
pozisyon çözünürlüğü elde
edilecektir.
• Genellikle bir strip alanı
25-100m arasındadır.
• Uzunlukları da birkaç
cm’den 10-20 cm’ye kadar
çıkmaktadır.
Pozisyon algılama
(mikroşerit dedektörler)
• Maksimum şerit uzunluğu, kullanılan wafer ile
sınırlıdır. Ancak daha uzun elektrotlar
yaratmak için birçok mikroşerit sensör ardarda
birleştirlebilir.
46
Piksel sensörler
• Tam ve kesin iki boyutta
bilgi almak için sensörün iki
boyutta da segmentlere
bölünmesi gerekir. Buna
pikselleme adı verilir.
• Bu tip sensörlerde
elektrotlar dama tahtası gibi
şekillendirilmiştir.
• Piksel boyutları 30-100m
arasındadır.
47
Piksel sensörler
• En eski ve yaygın görüntüleme elemanı Charge
coupled device (ışık algılayıcı aygıtlar)’lardır.
• Elektrotlara voltaj bir zaman diyagramına göre verilir.
Böylece ardışık potansiyel yükü izlenen yoldan sağa
doğru kaydırılır.
• Pikseller ardışık olarak çıkış verir ve yük transfer edilir.
48
Yarıiletken dedektörün çalışma prensibi
Bütün yarıiletken dedektör sistemleri 5 ayrı
fonksiyonu yerine getirir:
1. Her sensör veya sensör kanallarından gelen
sinyaller güçlendirilir.
2. Biçimlendirilir ve filtre edilir.
3. Biçimlendirilmiş bu sinyal dijitalize edilir ve
prosesörlerle işlenir.
4. Depolanır.
5. Analiz edilir.
49
Yarıiletken dedektörün çalışma prensibi
Yarıiletken dedektörlerin
çalışma şekilleri iyon
odalarına benzer ancak
buradaki taşıyıcılar
elektron ve deşiklerdir,
elektron ve pozitif
iyonlar değil.
50
Ters beslem
• Bir Vi ters besleme gerilimi,
𝑊𝑑 =
2 ∈ 𝑉𝑖 + 𝑉𝑑
𝑁𝑞
Şeklinde bir tüketme bölgesi yaratır.
• Vd = difüzyon potansiyeli
• N = doping yoğunluğu
•  = yarıiletkenin dielektrik sabiti
51
Ters beslem
• Eğer tüketme bölgesi genişliği yarıiletkenin
gövdesinden küçükse KISMEN TÜKETİLMİŞ
demektir.
• Eğer tüketme bölgesi genişliği yarıiletkenin
kontaklarına kadar ilerlemişse FULL TÜKETİLMİŞ
demektir.
• Tüketme bölgesi hareketli yük içermez, bu yüzden
bir kapasitör gibi davranır.
• Bu yüklerin hiçbiri iletkenliğe katkıda bulunmaz.
Bu yüzden eklem bölgesinin direnci gövdeye göre
daha yüksektir.
52
Ters voltaj akımı
Difüzyon akımı
• Tüketme bölgesinin kenarlarında üretilir.
• Full tüketilmiş dedektörlerde ihmal edilir.
Yeniden üretme akımı
• Tüketme bölgesinden üretilir.
• Saf materyal kullanılarak azaltılır.
j gen
1 ni
 q W
2 0
53
Sensör Fiziği
• İyonlaştırıcı bir parçacık sensöre geldiğinde
ortalama sinyal yükü;
• 𝑄𝑠 =
𝐸
𝑒
𝐸𝑖
• E= soğurulan enerji
• Ei=çift oluşturmak için gereken enerji
• e=1.6x10-19c
54
Sensör Fiziği
• Artan sensör kalınlığı ile gelen parçacığın
enerji kaybı ve sinyal yükü artacaktır.
• Silikon bir yarıiletken içersinde 1m başına
yaklaşık 80 e-p çifti üretilir.
• 300 m’lik bir silikonda yaklaşık 24000 e-p çifti
üretilir.
55
Sensör Fiziği
• Yüklü parçacık sensör içerisinde hareket
doğrultusunda yük çiftleri yaratır.
• Uygulanan elektrik alan altında hızlanan taşıyıcılar
saçılırlar. Kısa bir denge zamanından sonra
(silisyumda pikosaniyeler mertebesinde) bu
taşıyıcı transportu büyümez ve güçlenmez.
• Bir x noktasındaki taşıyıcıların hızı sadece elektrik
alanına bağlı olup, nerede üretildiği ve ne kadar
zamandır hareket ettiği önemli değildir.
56
Sensör Fiziği
• Gelen parçacık ile sensörün etkileşmesi piko
saniyeler mertebesinde olur. Malzemenin
mobilitesi ve alınan mesafe bu süreyi etkiler.
• Sensörün eklem bölgesinde bir elektrik alanı
meydana gelir.
• Elektrik sinyalinin elde edilebilmesi için
eklemde oluşan yüklerin toplanması gerekir.
Yani uygun harici elektrik alan
57
Sensör Fiziği
• 𝑉(𝑥) = μ𝐸
• =mobilite (silisyumda deşikler içi 450 V/cm.sn2,
elektronlar için1350 V/cm.sn2)
• 300 m kalınlığındaki bir kristale 30V uygularsak,
• 𝐸=
30𝑉
300.10−6 𝑚
= 103 𝑉/𝑐𝑚
103 𝑉
.
𝑐𝑚
• 𝑉 𝑥 =
1350𝑉
𝑐𝑚𝑠𝑛2
• 𝑉 𝑥 =
1,4.106 𝑐𝑚
𝑠𝑛
58
Sensör Fiziği
• 𝑥 = 𝑣. 𝑡
• 𝑡=
300.106 .102
=21,4sn
6
1,4.10
• Elektronlar 300 m kalınlığındaki kristali
baştan başa 20 sn’de katederler.
• Deşikler de bu mesafeyi yaklaşık 3 katı sürede
alırlar.
59
Sensör hacmi
• Küçük akımlı büyük elektrik alan elde etmek için
iletkenliği çok küçük (özdirenci çok büyük) soğurucu
kullanmak gerekir.
• Bunların sinyal akımları tipik olarak A mertebesindedir.
• Günümüzde 104 cm özdirençli silikon
üretilebilmektedir. Ancak bu değer yine de çok küçük
kalmaktadır.
• Öyleki 300 m’lik ve 1 cm2’lik bir silikon sensörün
direnci sadece 300 ‘dur.
• Bu sensöre 30V uygulandığında 100 mA’lik bir akım akar
ve harcanan akım 3 Wattır.
60
Sensör hacmi
• Özdirencin bu etkilerini azaltmak için ters beslem tekniğine
başvurulur.
• Bant aralığının artması oluşacak sinyal yükünü azaltır.
• Bir kristalin öz direnci doping işlemi ile kontrol edilebilir.
• Ters beslemde potansiyel farkı büyüdüğü için uzay yükü
artar ve eklem bölgesi genişler. Böylece radyoaktif parçacık
etkileşebilecek daha geniş bir hacim bulur.
• Bu genişleyen bölge sensörün aktif hacmini verir.
• Dedektörlerin tüketme bölgesi hacimleri, maksimum
enerjisi ölçülecek parçacığın dedeksiyonuna göre
oluşturulmalıdır. Örneğin 2 milimetre tüketme tabakası olan
bir dedektör ile ölçülebilecek enerji elektronler için 1.2MeV,
protonlar için 17MeV ve alfalar için ise 90MeV’dir
61
Yük biriktirme
• Elektronların eklem bölgesini ne kadar
zamanda terk edeceğini uygulanan elektrik
alanı belirler.
• Radyasyon e-p çiftleri ürettiği zaman bu çiftler
𝐸 etkisi altında 𝑣 = 𝜇𝐸 hızıyla hareket eder.
• Bir taşıyıcının sensör kalınlığını baştan başa
geçmesi için gerekli zamana BİRİKTİRME
ZAMANI denir.
62
Yük biriktirme
𝑡𝑐 =
𝑑2
𝑉+𝑉𝑑 +2𝑉𝑏𝑖
𝑙𝑜𝑔
2𝜇𝑣
𝑉−𝑉𝑑
ile verilir.
Burada 𝑉 𝑑 tüketme voltajıdır.
• Full tüketme durumunda biriktirme zamanı
𝑡𝑐 ≈
𝑑
𝑉
=
𝑑
𝜇𝐸
=
𝑑2
𝜇𝑉
olur.
• Yük biriktirme voltajın artırılmasıyla hızlanır.
63
Yük biriktirme
• 10 kcm’lik bir n-tipi silikonun yapı-içi voltajı
45 m’lik bir bölgeyi tüketir.
• 300 m kalınlığında bir dedektörü (Si) 90V’ta
çalıştırdığımızda;
• 𝑡𝑐 =
• 𝑡𝑐 =
2
−4
300.10 𝑐𝑚
1350 90
2
−4
300.10 𝑐𝑚
450 90
= 7.4 𝑛𝑠 (elektronlar için)
= 22 𝑛𝑠 (deşikler için)
64
Dedektör Seçimi
Bir dedektör yapımı için iki şart sağlanmalıdır:
1. Minimum gürültü; çok az veya hiç akım
geçmemesi. Yüksek elektrik alanda parçacık
hareketi olmamalı: YALITKAN
2. Gelen radyasyon ile çok sayıda elektron
koparılması. Koparılan elektronların ve
üretilen deşiklerin malzeme içerisinde
kolayca hareket edebilmeleri: İLETKEN
65
Dedektör Seçimi
• Düşük sayma hızı için background sayım
etkisinin azaltılması gerekir.
• Alfa parçacıkları veya düşük enerjili yüklü
parçacıklar için pencereli dedektörler gerekir.
• Katılardaki maksimum menzil 100m’dir
• Elektronlar için bu menzil 0.1 – 1 mm’dir.
66
Yarıiletken dedektör çeşitleri
• Difüze edilmiş eklem dedektörler:
P tipi bir alttabakaya n tipi bir bölge katkılanarak
elde edilirler.
• Yüzey engelli dedektörler:
67
Yarıiletken dedektör çeşitleri
• Tüketim bölgeli dedektörler:
Yüksek seviyede ters beslenmiş dedektörlerde
tüketme bölgesi tüm yarıiletken gövde boyunca
genişler.
• Lityum katkılı dedektörler
Dedektörün hacmi lityum dop edilerek arttırılır.
Hacmi artan dedektör daha yüksek enerjili
parçacıkları algılayabilir.
68
Yarıiletken dedektör çeşitleri
Si dedektörler:
Genelde gama ölçümlerinde kullanılmazlar çünkü Z=14’tür.
(Z=32 olan Ge)
Düşük enerjili gama ışınlarının algılamalarında kullanılırlar.
Ayrıca X-ışını ve beta algılamalarında da kullanılırlar.
Ge dedektörler:
Genelde gama algılamalarında kullanılırlar.
Bant genişliği fazla olan yarıiletkenlerle oda sıcaklığında
çalışmak mümkündür. Fakat e-p çifti yaratmak için daha
büyük enerji vermek gerekir. (yüksek enerjili parçacıklar
için)
69
Yaygın olarak kullanılan dedektörler
Si
Ge
GaAs
CdTe
CdZnTe
HgI2
PbI2
Atom Num.
14
32
31-33
48-52
48-30-52
80-53
82-53
Ort. A. Num.
14
32
32
50
49
62
63
İyon. En. (eV)
3.62
2.95
4.2
4.43
4.64
4.2
4.9
En. Bant Ar. (eV)
1.12
0.67
1.43
1.5
1.572
2.13
2.32
Yoğunluk(gr/cm3)
2.33
5.33
5.32
5.85
5.78
6.4
6.2
70
Ölçüm Modları
Puls modunda ölçüm
Sensör ile etkileşen her parçacık ayrı ayrı kayıt edilir.
(Yani Q toplam yük sayılır).
Soğurulan enerji yük ile orantılıdır.
Eğer enerji ölçüceksek bu tarz bir modu
kullanmalıyız.
71
Ölçüm Modları
Ortalama kare voltaj modunda ölçüm
Farklı parçacıkların yarattığı radyasyon tiplerinde
kullanılır.
Akım modunda ölçüm
Gelen parçacıkla etkileşimlerin çok hızlı olduğu
durumlarda kullanılır.
72
Sızıntı akımı (karanlık akımı)
• Ters beslem altında tüm taşıyıcılar eklemden
uzaklaşırlar. Bu yüzden akım akmaz.
• Ancak termal uyarma ile elektronlar bant aralığını
geçmeye çalışır böylece radyasyon yokluğunda
bile bir akım oluşur.
• Bu akımın sebebi sensörün gövdesi veya yüzeyi
olabilir.
• Bu akım türü ters beslemde ortaya çıkar. (birkaç
A)
• Azınlık taşıyıcılarının sebep olduğu bir akım
türüdür.
73
Sızıntı akımı (karanlık akımı)
• Küçük bant aralığı olan kristallerde (Ge) sızıntı
akımı artar.
• Eklem bölgesinin kenarlarındaki yüksek voltaj
değişimlerinin oluşması, ortamın nemi, vakum
seviyesi gibi durumlar da sensör yüzeyinin
neden olduğu sızıntı akımları meydana getirir.
• Yarıiletken içerisindeki safsızlıklar çoksa bu
akım artar, çünkü bu arayüzey enerji durumları
taşıyıcılara basamak olarak hizmet eder.
74
Sızıntı akımı (karanlık akımı)
• Ters beslem akımı sıcaklığa eksponansiyel
olarak bağlıdır.
•
•
•
•
•
•
2
−𝐸𝑔
𝐼𝑅 ≈ 𝑇 𝑒𝑥𝑝
2𝑘𝑇
𝐼𝑅 = ters beslem akımı
T = sıcaklık (K)
𝐸𝑔 = enerji bant aralığı
𝑘 = Boltzman sabiti
Dedektörü soğutmak sızıntı akımını büyük ölçüde
azaltır.
75
Sızıntı akımı (karanlık akımı)
• T1 ve T2 sıcaklıklarındaki sızıntı akımlarının
birbirine oranı;
•
𝐼𝑅
𝐼𝑅
𝑇2
𝑇1
=
𝑇2 2
𝑒𝑥𝑝
𝑇1
−𝐸𝑔 𝑇1 −𝑇2
2𝑘
𝑇1 𝑇2
• Eğer sislisyum dedektöründe sıcaklık, 𝑇𝑜𝑑𝑎 −
0
14 𝐶 olursa sızıntı akımını 10 kat azalır.
76
Dedektör gürültüsü
• Sensör gövdesindeki sızıntı akımlarında meydana
gelen dalgalanmalar
• Sensör yüzeyindeki sızıntı akımlarında meydana
gelen dalgalanmalar
• Sensör kapasitansı
• Sensörün elektriksel kontakları ve elektronik
tasarım
• Seri direnç etkisi
• Düşük dirençli sensörlerin kullanılması
77
Nasıl önlenir ?
• Sızıntı akımlarındaki dalgalanmalar soğutma
ile azaltılabilir.
• Yüzeydeki dalgalanmalar sensörün yapımı ve
kullanımı ile ilgilidir.
• Sensör kapasitesi düşürülürse gürültü azalır.
• Hızlı bir elektronik ters akımdan gelecek
gürültü katkısını azaltır.
78
Ölü bölge
• Ağır veya giricilikleri az olan parçacıkların
sensördeki eklem bölgesine ulaşamadan enerji
kaybına uğramaları. (en önemli sebep: metal
elektrotlar veya sensör kalınlıkları)
79
Radyasyon hasarı
• Dedektörün uzun süre kullanılması
sonucu kristal örgüsünde meydana
gelebilecek kusurlardır. Örneğin, bir
atomun yerinden çıkıp başka iki atom
arasına yerleşmesi.
• Bu durum (Frenkel etkisi) taşıyıcılar
için istenmeyen bir tuzak oluşturur.
• Dedektörün enerji ayırma gücü
zayıflar (yüklü parçacık sayısındaki
olabilecek dalgalanmalar sebebiyle)
80
Yarıiletken dedektörlerin kullanım
alanları
Endüstriyel ölçümlerde
• Doluluk seviyesi tespitlerinde kullanılır.
• Bunun için x-ışınlarından faydalanılır.
Nükleer tıpta
• Cerrahi gama problarında kullanılır.
• Kemik minerallerinin yoğunluğunu ölçmede
kullanılır
X-ışınları görüntülemesinde
Dijital röntgen filmlerinde kullanılır.
kemik görüntülemelerinde kullanılır.
81
Yarıiletken dedektörlerin kullanım
alanları
• Paket denetlemelerinde kullanılır
• Proton ve alfa parçacıklarının algılanmasında
oldukça sık kullanılır.
• Gama spektrometresinde kullanılır.
• Çevresel radyasyon uyarı ölçümlerinde
kullanılır.
82
KAYNAKLAR
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Radiation Detection and Measurement, Third edition, Glenn F. Knoll. University of Michigan, John
Wiley & Sons, Inc.
Semiconductor Detectors, Helmuth Spieler, Physics Division, Lawrence Berkeley National Laboratory
Electronics for Radiation Detection, Krzysztof Iniewski, New York.
Physics of Semiconductor Devices, J. P. Colinge, C. A. Colinge, Kluwer Academic Publishers, New
York.
Radiation Effects in Semiconductors, Krzysztof Iniewski, CRC Press is an imprint of the Taylor &
Francis Group, New York.
Semiconductor Radiation Detection Systems, Krzysztof Iniewski, CRC Press is an imprint of the
Taylor & Francis Group, New York.
Semiconductor Radiation Detectors, Gerhard Lutz, Semiconductor Laboratory of the Max-PlanckInstitutes, Otto-Hahn-Ring 681739 Munich, Germany.
Silicon Heterostructure Devices, John D. Cressler, CRC Press is an imprint of the Taylor & Francis
Group, New York.
Fundamentals of Solid State Engineering, Manijeh Razeghi, Northwestern University, U.S.A.
Physics of Semiconductor Devices, Third Edition, S. M. Sze and Kwok K. Ng, A JOHN WILEY & SONS,
JNC., PUBLICATION.
Semiconductor Materials, B. G. Yacobi, Kluwer Academic Publishers.
Metal-Oxide-Semiconductor Physics nad Technology, E. H. Nicollian and J. R. Brews, John Wiley and
Sons, New York.
83
Geiger-Müller Dedektörü Deneyi
Laboratuar ortamında yerli kaynaklar kullanılarak
yapılmış Geiger-Müller tüplerinden örnekler
sergilenmesi.
84
Geiger-Müller Dedektörü Deneyi
Endüstriyel bir Geiger-Müller tüpünün (SBM 20)
yüksek voltaj altında çalıştırılması.
GM tüpü çıkışından elektrik
sinyali alma tekniklerinin
öğrenilmesi.
85
Geiger-Müller Dedektörü Deneyi
Doğal radyasyonun ve zayıf bir kaynak radyasyonunun (gama,
beta) GM tüpünün çıkışında iyonlaştırma sonucu yarattığı
elektrik sinyallerinin osiloskop ekranında görüntülenmesi.
86
Geiger-Müller Dedektörü Deneyi
GM tüpünün çıkış sinyalinin yükseltilmesi ve
biçimlendirilmesi.
Yükseltilen sinyalin bir referans sinyali ile
karşılaştırılması.
Mevcut durumun görsel ve sesli olarak bildirilmesi
87