Halbleiterdetektor

  Ein Halbleiterdetektor ist ein Strahlungs- oder Teilchendetektor, der sich spezielle elektrische Eigenschaften von Halbleitern zu Nutze macht, um Photonen und ionisierende massive Teilchen nachzuweisen. Strahlung und Teilchen können im Halbleiter freie Ladungsträger (Elektronen und Löcher) generieren, welche als elektrisches Signal verstärkt und ausgewertet werden können. Bei der Strukturierung von Halbleiterdetektoren macht man sich die Kombination unterschiedlich leitfähiger Gebiete (Dotierungen) zunutze, über die verschiedene elektrische Felder im Halbleiter angelegt werden, um die generierten Ladungsträger innerhalb des Halbleiters zu transportieren und gegebenenfalls zu verstärken.

Halbleiterdetektoren werden wegen ihres hohen Energieauflösungsvermögens und - bei entsprechender Strukturierung - ihrer Ortssensitivität (positionsempfindliche Kernstrahlungsdetektoren) verwendet. Sie werden in zahlreichen Forschungs- und Anwendungsgebieten eingesetzt, z. B. der Röntgenfluoreszenzanalyse und der Teilchenphysik. Ein Beispiel für letzteres ist der Semi Conductor Tracker (SCT) des Detektors ATLAS. Auch die lichtempfindlichen Sensoren (z. B. CCDs oder CMOS-Pixeldetektoren) in Digitalkameras gehören zu den Halbleiterdetektoren.

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Nachweis von Strahlung und Elementarteilchen mit Halbleiterdetektoren

Ob und wie viele Elektron-Loch-Paare von einfallender Strahlung generiert werden, hängt maßgeblich von der Bandlückenenergie ab. Je nach Art der ionisierenden Strahlung entstehen die im Detektor erzeugten Ladungswolken auf unterschiedliche Weise und mit unterschiedlicher Charakteristik. Geladene Elementarteilchen erzeugen entlang ihrer Bahn stets eine Ionisationsspur, während Photonen bei einer Wechselwirkung über den Photoeffekt nur an einem Punkt wechselwirken und dabei vollständig absorbiert werden.

Licht

Ist die Energie von Licht im sichtbaren bzw. nahen UV-Bereich ausreichend, um ein Elektron-Loch-Paar zu erzeugen, hebt ein einfallendes Photon ein Elektron vom Valenz- in das Leitungsband. Elektronen und Löcher bewegen sich dann zu den jeweiligen Bandlückenkanten hin, wobei Gitterschwingungen (Phononen) und niederenergetische Photonen entstehen. Das Photon wird nahe der Oberfläche erzeugt, d. h. typischerweise innerhalb eines Bruchteils eines Mikrometers. Bei dem am häufigsten verwendeten Halbleitermaterial Silizium ist die Energie von nahem Infrarot und sichtbaren Licht stets ausreichend, um ein Elektron-Loch-Paar und damit ein Signal zu erzeugen.

Speziell zur Detektion einzelner Photonen wurden Lawinenfotodioden entwickelt. Sie eignen sich auch zu Messungen mit hoher Zeitauflösung.

VUV-, Röntgen- und Gammastrahlung

Hochenergetische Ultraviolettstrahlung nennt man Vakuum-UV (VUV), da ihre Reichweite unter Atmosphärendruck so gering ist, dass entsprechende Experimente im Vakuum durchgeführt werden müssen. Der VUV-Wellenlängen- und Energiebereich ist nicht scharf gegenüber kurzwelliger UV-Strahlung und weicher Röntgenstrahlung abgegrenzt. In der klassischen Optik liegt der VUV-Bereich bei Wellenlängen zwischen 300 und 100 nm, die Energien also zwischen 4 und 12 eV. In den letzten Jahren wurde der Energiebereich von Freie-Elektronen-Lasern erheblich erweitert. Deshalb ist in diesem Anwendungsumfeld noch bei Energien bis 200 eV von VUV- oder extremem UV und nicht von Röntgenstrahlung die Rede.

Bei Photoabsorption von VUV-, Röntgen- und Gammastrahlung wird zunächst ein primäres Elektron vom Valenz- in das Leitungsband gehoben. Seine kinetische Energie ist sehr hoch, weshalb in Folge zahlreiche sekundäre Elektronen und Phononen entstehen. Die Erzeugung von Sekundärteilchen ist ein statistischer Prozess. Bei gleicher Anfangsenergie entsteht deshalb nicht stets die gleiche Zahl von Ladungsträgern. Die Reichweite der Sekundärteilchen ist relativ kurz. Verglichen mit den Ionisationsprozessen, die durch geladene Teilchen hervorgerufen werden, werden die Ladungsträger in einem sehr kleinen Raumbereich generiert.

Wegen der sehr viel höheren Energie von Gammastrahlung (und damit verringerter Absorptionswahrscheinlichkeit) müssen für deren Nachweis möglichst dicke Detektoren und/oder Halbleiter mit hoher Kernladungszahl (z. B. Germanium oder GaAs) verwendet werden. Bei leichteren Halbleitern überwiegt hingegen die Compton-Streuung, bei der oft lediglich ein Teil der Photonenenergie im Halbleiter deponiert wird, was wiederum die Energieauflösung verschlechtert.

Alphastrahlung

Die Eindringtiefe von Alpha-Teilchen ist mit ca. 25 µm relativ gering, da ihre Ionisationsfähigkeit sehr hoch ist. Nach der Bethe-Bloch-Gleichung hängt der Ionisationsverlust geladener Teilchen von Z²/v² ab, nimmt also bei höherer Kernladungszahl Z und kleinerer Geschwindigkeit v zu. Die Dichte der Elektron-Loch-Paare nimmt deshalb mit der Tiefe zu, denn beim Eindringen nimmt die Geschwindigkeit des Alpha-Teilchens ab. Sie hat ein deutliches Maximum am Endpunkt (Bragg-Kurve).

Betastrahlung

Elektronen haben im Vergleich zu Alphateilchen eine um Größenordnungen geringere Masse und eine halb so große elektrische Ladung. Ihre Ionisationsfähigkeit ist also sehr viel geringer. Relativistische (hochenergetische) Beta-Strahlung dringt deshalb deutlich tiefer in den Detektor ein oder durchdringt ihn vollständig und erzeugt entlang ihrer Bahn eine gleichmäßige Dichte von Elektron-Loch-Paaren. Ist ihre Energie größtenteils abgegeben, so entsteht – ähnlich wie bei Alphateilchen – eine höhere Ionisierung am Endpunkt ihrer Bahn. Extrem niederenergetische Elektronen erzeugen keine Ladungsträger mehr und wechselwirken primär mit Phononen.

Hochenergetische geladene Teilchen

Hochenergetisch geladene Teilchen (Pionen, Kaonen, usw.) durchdringen den Detektor mit annähernd konstanter Geschwindigkeit und erzeugen Elektron-Loch-Paare mit einer gleichmäßigen Dichte entlang ihrer Bahn. Diese Dichte ist annähernd unabhängig von der Energie der Teilchen und proportional zum Quadrat ihrer elektrischen Ladung.

Nichtrelativistische geladene Teilchen

Protonen und Kerne erzeugen eine Ionisationsdichte, die umgekehrt proportional zu ihrer Energie ist und proportional zum Quadrat ihrer Ladung.

Andere Arten von Teilchen

Neutronen oder sehr hochenergetische Protonen können ebenfalls in Halbleiterdetektoren Signale erzeugen, indem sie z. B. an einem Kern rückstoßen oder Elektron-Positron-Paare bilden, die wiederum Elektron-Loch-Paare erzeugen können. Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit dafür gering. Aus diesem Grund sind Halbleiterdetektoren zum Nachweis dieser Teilchen weniger geeignet.

Pin-Dioden

Die einfachste Struktur für Halbleiterdetektoren ist die in Sperrrichtung betriebene pin-Diode (p-Kontakt – intrinsisch – n-Kontakt). An ihr lässt sich am einfachsten die Funktionsweise von Halbleiterdetektoren erklären. Eine pin-Diode besteht z. B. aus schwach n-leitendem Silizium-Grundmaterial, das auf der einen Seite mit einer stark p- auf der anderen Seite mit einer stark n-dotierten Implantation versehen ist (es ist genauso möglich, schwach p-dotierte Substrate zu verwenden, n-Material ist jedoch in höherer Reinheit erhältlich). Zur Kontaktierung sind beide Implantationen mit Metallisierungen (meist aus Aluminium) versehen. Eine Sperrspannung am p-Kontakt erzeugt die Raumladungszone. Das verarmte n-Substrat verhält sich dann wie intrinsisches Silizium. In der Regel wählt man die Spannung so, dass der Wafer über seine gesamte Tiefe verarmt ist. Dadurch wird die Kapazität minimal und man erhält ein großes strahlungsempfindliches Volumen. Die Tiefe z_d der Raumladungszone bei gegebener Sperrspannung U_bias ist durch folgende Gleichung gegeben.

Dabei ist die elektrische Feldkonstante, ε_r die Dielektrizitätszahl und e die Elementarladung. Die Näherung auf der rechten Seite gilt für den Fall, dass die Akzeptorkonzentration N_A in der p-Dotierung sehr viel größer als die Donatorkonzentration N_D in der n-Dotierung ist, was auf typische Halbleiterdetektoren zutrifft. Die Donatorkonzentration N_D des Substrats liegt typischerweise bei , die Wafer-Dicke beträgt 300 µm. Zur vollständigen Verarmung von einer Seite benötigt man demnach −70 V.

Die von der Strahlung erzeugten Elektron-Loch-Paare werden vom elektrischen Feld getrennt. Die Elektronen driften zum positivsten Potential, die Löcher zum negativsten.

Die Kapazität von pin-Dioden und vielen anderen Halbleiterdetektoren hat eine vergleichbare funktionelle Abhängigkeit vom Volumen wie die Kapazität von Plattenkondensatoren. Sie hängt von der Fläche A und vom Plattenabstand d ab.

Die Fläche entspricht der aktiven Fläche des Detektors, und der Plattenabstand entspricht der Tiefe der Raumladungszone, bei vollständig verarmten Detektoren also der Chip-Dicke. Eine typische pin-Diode mit einer Fläche von 5 mm² und einer Dicke von 0,5 mm hat demnach eine Kapazität von 1 pF.

Die durch einfallende Strahlung messbare Spannungsänderung beträgt , wobei Δq die Ladung der Elektronen bzw. Löcher ist und C die Detektorkapazität. Die Spannungsdifferenz ΔU sollte möglichst groß sein, damit das Signal-Rausch-Verhältnis groß ist. Die Kapazität C sollte deshalb sehr klein sein. Deshalb minimiert man bei konventionell aufgebauten Halbleiterdetektoren (z. B. Si(Li)s und pin-Dioden) entweder die sensitive Fläche oder erhöht die sensitive Dicke, um das Rauschen klein zu halten. Andererseits ist aber häufig eine möglichst große Fläche erwünscht, und d sollte nicht zu groß sein, damit nicht eine extrem hohe Depletionsspannung angelegt werden muss.

Literatur

• Glenn F. Knoll: Radiation detection and measurement, Wiley New York et al. 1979, ISBN 0-471-49545-X.