YARIİLETKEN 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

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

Yarıiletken sensörler Gaz sensörleri (H, CO, Metan, …) Işık sensörleri Hareket sensörleri Sıcaklık sensörleri Nem sensörleri

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.

İyonize radyasyon sensörleri Oluşan yükler başka atomlarla da etkileşme yapabilir ve enerjileri azalabilir. Ortam yeterli yoğunlukta ise oluşan yükler tekrar soğurulur.

Algılama Teknikleri Yüklerden yararlanmak Fotoğraf tekniği Sintilasyon tekniği Yarıiletken tekniği 2. Yük toplamlarından yararlanmak İyonizasyon odaları Orantılı sayaçlar Geiger-Müller

Algılama Radyasyon dedekte etme tekniklerinin hepsi iyonizasyon prensibine dayanır. ALGILAMA = radyasyon etkisi ve şiddetinin sayısal veya görüntü olarak değerlendirilmesidir. ALGILAMA = İYONİZASYON + EKSİTASYON

Algılama İyonlaştırıcı parçacık yarıiletkene geldiğinde 3 farklı olay meydana gelir: e-p çifti (yüksek enerjilerde) Compton saçılması (orta enerjilerde) Foto elektrik olay (düşük enerjilerde)

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.

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

Dezavantajları Kısa ömürlü olmaları Çalışma karakteristiklerinin çevre şartları ile değişmesi Uzun yollu parçacıkları durduramamaları Nükleer radyasyon hasarları

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.

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.

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.

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.

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?

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.

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.

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.

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= 𝑛 𝑖 2

Elektronu uyarma mekanizmaları 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.

Elektronu uyarma mekanizmaları Elektrik alan Uygulanan bir 𝐸 alanla bir elektron valans bandından iletkenlik bandına doğru uyarılabilir. Elektromanyetik radyasyon Elektromanyetik bir radyasyonla elektron uyarılabilir.

𝐸=ℎ𝛾=ℎ 𝑐 𝜆 =6,62𝑥 10 −34 𝑗𝑠 3 𝑥10 8 𝑚/𝑠 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.

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.

P-tipi yarıiletken Değerlik bandına katkıda bulunan böyle katkılandırıcılara acceptor (alıcı) denir. Her eklenen alıcı atom değerlik bandında bir deşik oluşmasına sebep olur.

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.

N-tipi yarıiletken İletkenlik bandına elektron katkısında bulunan böyle katkılandırıcılara donor (verici) denir. Her eklenen verici atom iletkenlik bandında bir elektron oluşmasına sebep olur.

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.

P - tipi yarıiletkende çoğunluk taşıyıcıları DEŞİKLERDİR. N - tipi yarıiletkende çoğunluk taşıyıcıları ELEKTRONLARDIR.

Elektronların iletkenlik bandındaki toplam konsantrasyonları; 𝑛= 𝑁 𝑐 𝑒𝑥𝑝 𝐸 𝑓 − 𝐸 𝑐 𝑘 𝐵 𝑇 Deşiklerin değerlik bandındaki toplam konsantrasyonları; 𝑝= 𝑁 𝑣 𝑒𝑥𝑝 𝐸 𝑣 − 𝐸 𝑓 𝑘 𝐵 𝑇 Tüketme tabakası genişliği katkılama yoğunluğuna bağlıdır. Verilen bir kalınlık için full tüketme voltajı;

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)

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 Engel boyunca kuantum-mekaniksel tünelleme

Akım transport mekanizmaları

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.

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.

P-N Eklem Ters beslem altında eğer bu bölgede radyasyon ile elektron-deşik 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.

P-N Eklem Eklemdeki yüklerin birbirinden ayrışmasıyla bir kapasite meydana gelir. PN eklemde akıma azınlık taşıyıcıları katkıda bulunur. Bu kapasite uygulanan voltaj ile değişir.

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.

SiPM’ler (Silicon Photomultiplier) Gelen bir parçacığın enerjisini ölçülebilir bir elektronik sinyale dönüştürür.

SiPM’ler (Silicon Photomultiplier)

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Yarıiletken dedektörün çalışma prensibi Bütün yarıiletken dedektör sistemleri 5 ayrı fonksiyonu yerine getirir: Her sensör veya sensör kanallarından gelen sinyaller güçlendirilir. Biçimlendirilir ve filtre edilir. Biçimlendirilmiş bu sinyal dijitalize edilir ve prosesörlerle işlenir. Depolanır. Analiz edilir.

Yarıiletken dedektörün çalışma prensibi Yarıiletken dedektörlerin çalışma şekilleri iyon odalarına benzer ancak buradaki taşıyıcılar elektron ve deşiklerdir, elektron ve pozitif iyonlar değil.

Ters beslem Bir Vi ters besleme gerilimi, 𝑊 𝑑 = 2∈ 𝑉 𝑖 + 𝑉 𝑑 𝑁𝑞 Şeklinde bir tüketme bölgesi yaratır. Vd = difüzyon potansiyeli N = doping yoğunluğu  = yarıiletkenin dielektrik sabiti

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.

Ters voltaj akımı Difüzyon akımı Tüketme bölgesinin kenarlarında üretilir. Full tüketilmiş dedektörlerde ihmal edilir. Yeniden üretme akımı Tüketme bölgesinden üretilir. Saf materyal kullanılarak azaltılır.

Sensör Fiziği İyonlaştırıcı bir parçacık sensöre geldiğinde ortalama sinyal yükü; 𝑄𝑠= 𝐸 𝐸 𝑖 𝑒 E= soğurulan enerji Ei=çift oluşturmak için gereken enerji e=1.6x10-19c

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.

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.

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

Sensör Fiziği 𝑉(𝑥)=μ 𝐸 =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 = 10 3 𝑉/𝑐𝑚 𝑉 𝑥 = 1350𝑉 𝑐𝑚𝑠𝑛2 . 10 3 𝑉 𝑐𝑚 𝑉 𝑥 = 1,4 .10 6 𝑐𝑚 𝑠𝑛

Sensör Fiziği 𝑥=𝑣.𝑡 𝑡= 300. 10 6 . 10 2 1,4. 10 6 =21,4sn Elektronlar 300 m kalınlığındaki kristali baştan başa 20 sn’de katederler. Deşikler de bu mesafeyi yaklaşık 3 katı sürede alırlar.

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.

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

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.

Yük biriktirme 𝑡 𝑐 = 𝑑 2 2𝜇𝑣 𝑙𝑜𝑔 𝑉+ 𝑉 𝑑 +2 𝑉 𝑏𝑖 𝑉− 𝑉 𝑑 ile verilir. Burada 𝑉 𝑑 tüketme voltajıdır. Full tüketme durumunda biriktirme zamanı 𝑡 𝑐 ≈ 𝑑 𝑉 = 𝑑 𝜇𝐸 = 𝑑 2 𝜇𝑉 olur. Yük biriktirme voltajın artırılmasıyla hızlanır.

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; 𝑡 𝑐 = 300. 10 −4 𝑐𝑚 2 1350 90 =7.4 𝑛𝑠 (elektronlar için) 𝑡 𝑐 = 300. 10 −4 𝑐𝑚 2 450 90 =22 𝑛𝑠 (deşikler için)

Dedektör Seçimi Bir dedektör yapımı için iki şart sağlanmalıdır: Minimum gürültü; çok az veya hiç akım geçmemesi. Yüksek elektrik alanda parçacık hareketi olmamalı: YALITKAN Gelen radyasyon ile çok sayıda elektron koparılması. Koparılan elektronların ve üretilen deşiklerin malzeme içerisinde kolayca hareket edebilmeleri: İLETKEN

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.

Yarıiletken dedektör çeşitleri Difüze edilmiş eklem dedektörler: P tipi bir alttabakaya n tipi bir bölge katkılanarak elde edilirler. Yüzey engelli dedektörler:

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.

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)

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. 50 49 62 63 İyon. En. (eV) 3.62 2.95 4.2 4.43 4.64 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

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.

Ölçüm Modları Ortalama kare voltaj modunda ölçüm Farklı parçacıkların yarattığı radyasyon tiplerinde kullanılır. Akım modunda ölçüm Gelen parçacıkla etkileşimlerin çok hızlı olduğu durumlarda kullanılır.

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.

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.

Sızıntı akımı (karanlık akımı) Ters beslem akımı sıcaklığa eksponansiyel olarak bağlıdır. 𝐼 𝑅 ≈ 𝑇 2 𝑒𝑥𝑝 − 𝐸 𝑔 2𝑘𝑇 𝐼 𝑅 = ters beslem akımı T = sıcaklık (K) 𝐸 𝑔 = enerji bant aralığı 𝑘 = Boltzman sabiti Dedektörü soğutmak sızıntı akımını büyük ölçüde azaltır.

Sızıntı akımı (karanlık akımı) T1 ve T2 sıcaklıklarındaki sızıntı akımlarının birbirine oranı; 𝐼 𝑅 𝑇 2 𝐼 𝑅 𝑇 1 = 𝑇 2 𝑇 1 2 𝑒𝑥𝑝 −𝐸 𝑔 2𝑘 𝑇 1 − 𝑇 2 𝑇 1 𝑇 2 Eğer sislisyum dedektöründe sıcaklık, 𝑇 𝑜𝑑𝑎 −14 0 𝐶 olursa sızıntı akımını 10 kat azalır.

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

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.

Ölü bölge Ağır veya giricilikleri az olan parçacıkların sensördeki eklem bölgesine ulaşamadan enerji kaybına uğramaları. (en önemli sebep: metal elektrotlar veya sensör kalınlıkları)

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)

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.

Yarıiletken dedektörlerin kullanım alanları Paket denetlemelerinde kullanılır Proton ve alfa parçacıklarının algılanmasında oldukça sık kullanılır. Gama spektrometresinde kullanılır. Çevresel radyasyon uyarı ölçümlerinde kullanılır.

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-Planck-Institutes, 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.

Geiger-Müller Dedektörü Deneyi Laboratuar ortamında yerli kaynaklar kullanılarak yapılmış Geiger-Müller tüplerinden örnekler sergilenmesi.

Geiger-Müller Dedektörü Deneyi Endüstriyel bir Geiger-Müller tüpünün (SBM 20) yüksek voltaj altında çalıştırılması. GM tüpü çıkışından elektrik sinyali alma tekniklerinin öğrenilmesi.

Geiger-Müller Dedektörü Deneyi Doğal radyasyonun ve zayıf bir kaynak radyasyonunun (gama, beta) GM tüpünün çıkışında iyonlaştırma sonucu yarattığı elektrik sinyallerinin osiloskop ekranında görüntülenmesi.

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