Leccin 4.- DETECTORES DE SEMICONDUCTOR

NDICE

4.-

DETECTORES DE SEMICONDUCTOR.

4.1.- Introduccin. 4.2.- El contador de cristal. 4.3.- Detectores de Ge y Si. 4.4.- Semiconductores intrnsecos y extrnsecos. 4.5.- Las uniones N-P. 4.6.- Tipos de detectores de semiconductor. 4.7.- Los detectores compensados con litio. 4.8.- Detectores de Germanio ultrapuro. 4.9.- Detectores de barrera superficial: Espectrometra alfa.

4.- DETECTORES DE SEMICONDUCTOR 1 /

4.- DETECTORES DE SEMICONDUCTOR

4.1. Introduccin Al describir los sistemas destinados a medir los espectros energticos de radiacin ionizante, se ha podido apreciar que las cualidades ms importantes que se deben optimizar son: a) Rendimiento de deteccin. b) Linealidad. c) Resolucin energtica. d) Resolucin temporal. En el caso de la espectrometra gamma y de radiacin X, la resolucin energtica alcanzada con detectores de ionizacin o centelleo, queda lejos de satisfacer muchas necesidades actuales. Por ello, los esfuerzos de la investigacin en el campo de la Espectrometra Nuclear, se han dirigido al desarrollo de nuevas variantes de detectores, capaces de suplir los defectos citados en los anteriormente descritos. 4.2.- El contador de cristal La idea original de crear un nuevo tipo de detector de caractersticas superiores a los ya existentes tuvo su origen en la observacin del funcionamiento del detector de centelleo. Si por ejemplo a un cristal aislante de NaI(Tl) llega radiacin ionizante, la energa disipada excita electrones de la banda de valencia y de otras inferiores, tanto a la de conduccin como a otras ms energticas, que normalmente se encuentran vacas (Figura 4.1a). En un tiempo muy corto, aproximadamente 10-12 s, los electrones excitados retornan a la banda de conduccin, y los huecos a la de valencia, disipndose en calor la mayor parte de la energa de excitacin (Figura 4.1b). Finalmente los electrones de la banda de conduccin se recombinan con los huecos de la banda de valencia, por lo que la mayor parte de la energa de excitacin se degrada a calor. Por esta razn, obtenemos una mala eficiencia energtica al trabajar con un espectrmetro de centelleo. La pregunta que surge a la vista de esta situacin es si no se podra aprovechar ms eficazmente la informacin primaria, representada por los pares electrn-hueco creados. La idea ahora resulta fcil, pues la situacin expuesta recuerda a la de los detectores de ionizacin gaseosa, con la diferencia de que la radiacin ionizante produce ahora pares electrn-hueco en un medio slido. Bajo la directriz de las ideas expuestas surgi el contador de cristal, constituido en principio por un monocristal aislante provisto de dos electrodos opuestos, entre los que se establece un adecuado campo elctrico de polarizacin.

2 / 4.- DETECTORES DE SEMICONDUCTOR

+ + +

+

+

Figura 4.1. Estructura de bandas de energa en un material. Sin embargo, debido al contenido relativamente alto de impurezas en cristales como el NaI, el funcionamiento del sistema descrito deja mucho que desear, debido a procesos de recombinacin y captura de portadores.

4.3.- Detectores de Ge y Si En la bsqueda de materiales ms puros que hiciera posible la construccin de contadores de cristal, se pens en el germanio y silicio, materiales que por necesidades de fabricacin de transistores, se preparaban en un alto grado de pureza y perfeccin cristalina. Sin embargo, aparece aqu una variante importante respecto al caso del Na I propuesto como ejemplo, y es que tanto el germanio como el silicio, son semiconductores, que se diferencian fundamentalmente de los aislantes, en que la anchura de la zona prohibida comprendida entre las bandas de conduccin y de valencia, es del orden de 1 - 2 eV. Por ello, a temperatura ordinaria, al ganar energa trmica los electrones de la banda de valencia, es posible que algunos de ellos salten hasta la banda de conduccin (movimiento improbable en aislantes por la mayor anchura de la zona prohibida). As pues, se repitieron los intentos de fabricar un contador de cristal utilizando esta vez monocristales de germanio y silicio, pero los resultados fueron an ms desalentadores, ya que al ser semiconductores en ambos elementos qumicos, al aplicar la tensin de polarizacin, circulaba por el sistema una corriente tan intensa, que el ruido electrnico asociado enmascaraba completamente las dbiles seales producidas en los procesos de deteccin. Aunque el nivel de ruido se poda reducir notablemente refrigerando el cristal con nitrgeno lquido, el fondo remanente era suficiente para enmascarar los impulsos de seal de forma casi completa.

4.- DETECTORES DE SEMICONDUCTOR 3 /

Para poder comprender bien la solucin final a esta ltima dificultad conviene hacer una pausa para recordar algunas propiedades de los semiconductores, necesaria para la comprensin del funcionamiento de los detectores de semiconductor. 4.4.- Semiconductores intrnsecos y extrnsecos En un semiconductor completamente puro, todos los electrones presentes en la banda de conduccin proceden, en ausencia de radiacin ionizante, de la excitacin trmica de la red cristalina, y por esta razn el nmero de electrones que hay en todo momento en la banda de conduccin debe ser igual al de huecos en la banda de valencia. Este material recibe el nombre de semiconductor intrnseco. En los semiconductores reales sus propiedades elctricas vienen dominadas por sus niveles de impurezas remanentes. Para ilustrar el efecto de las impurezas en un material semiconductor se puede usar como ejemplo el silicio, elemento tetravalente, en cuya red cristalina normal cada tomo comparte sus cuatro electrones con sendos tomos vecinos, formndose enlaces covalentes apolares. Tal situacin queda mostrada en la Figura 4.2, donde cada uno de los trazos que parten de los tomos de silicio representan electrones de valencia formando enlaces covalentes.

Figura 4.2.- Representacin de una impureza donadora (fsforo) ocupando una posicin substitucional en un cristal de silicio. Para evaluar el efecto de las impurezas elctricamente activas, se considera en primer lugar una impureza de un elemento pentavalente, tal como el fsforo o arsnico. Se supone que esta impureza, en concentraciones del orden de ppm est presente como remanente tras un proceso de purificacin, o aadida intencionadamente para alterar de forma prevista las propiedades elctricas del semiconductor. En tales condiciones, los tomos de fsforo se situarn en la red cristalina preferentemente en posiciones substitucionales, en lugar de tomos de silicio, y como el fsforo tiene cinco electrones de valencia, queda uno de ellos libre, al participar los otros cuatro en los enlaces con tomos de silicio. Este electrn queda muy dbilmente unido al fsforo, por lo que este tomo se ioniza con facilidad. Las impurezas que como el fsforo liberan fcilmente

4 / 4.- DETECTORES DE SEMICONDUCTOR

electrones reciben el nombre de impurezas donadoras, a causa de que contribuyen con electrones en la banda de conduccin. Debido a que no forman parte de la red regular, los electrones desapareados asociados a las impurezas donadoras se sitan en niveles prximos a la banda de conduccin. La energa que separa estos niveles de la base de la banda de conduccin es muy pequea, circunstancia que explica la razn de que la mayor parte de tomos de fsforo se encuentren ionizados, permaneciendo en la red como iones positivos no mviles. Un material tal como el descrito se denomina de tipo n, y en este caso, el nmero de electrones en la banda de conduccin es mucho mayor que el de huecos. Por ser los electrones los portadores presentes en la conduccin reciben el nombre de portadores mayoritarios, y los huecos, portadores minoritarios. Si la impureza remanente o aadida a un semiconductor es trivalente, tal como ocurre en el boro, estos tomos igual que en el caso anterior, ocupan en la red posiciones substituyentes, tal como se simboliza en la Figura 4.3. En casos como el citado, el tomo de impureza tiene menos electrones de los necesarios, para formar enlaces con los cuatro tomos vecinos de silicio y por tanto queda sin saturar uno de los enlaces covalentes, formndose as una vacante. Debido a la avidez del boro por completar sus enlaces, esta vacante se llena prontamente con un electrn procedente de la rotura de un enlace regular formndose pues un in negativo no mvil. Los electrones adicionales ligados por el boro para completar su capa externa con 8 electrones, se encuentran menos ligados que los electrones de enlaces regulares, y por ello se sitan en niveles prximos a la banda de valencia, en la banda prohibida, pues sus propiedades son muy prximas a las de los electrones de valencia.

Figura 4.3.- Representacin de una impureza aceptora (boro) ocupando una posicin substitucional en un cristal de silicio. En los procesos normales de excitacin trmica, se generan electrones que permanecen disponibles para llenar las vacantes creadas por impurezas trivalentes y una vez lo hacen queda un exceso de huecos en la banda de valencia.

4.- DETECTORES DE SEMICONDUCTOR 5 /

Los semiconductores como el descrito, con un predominio de impurezas aceptoras, se denominan de tipo p, predominando en este caso la conduccin por huecos pues son ahora los portadores mayoritarios. Si en un semiconductor existen impurezas donadoras y aceptoras en idntica concentracin se dice que el material est compensado. Este semiconductor presenta algunas de las propiedades del semiconductor intrnseco ya que la mayor parte de electrones liberados por los donadores, son capturados por los tomos aceptores.

4.5.- Las uniones N - P Ya se ha visto anteriormente que el intento de construir contadores de cristal utilizando para ello monocristales de germanio o silicio fallaba, debido a la relativamente intensa corriente que circulaba por el detector, tan pronto ste se polarizaba. Por ello si se desea usar un material semiconductor como detector, habr de usarse un artificio para disminuir la corriente de fuga hasta valores prximos al nA. El mtodo para alcanzar esta condicin, es formar en el semiconductor una unin n-p inversamente polarizada. Una unin n-p consiste en un semiconductor, con una parte de carcter p y otra n, en una red cristalina continua. El mtodo de preparar una unin n-p es tomar un cristal semiconductor tipo n por ejemplo, y difundir desde una cara impurezas aceptoras, con lo cual la zona de difusin cambia a carcter p. En la Figura 4.4. se ilustran los efectos elctricos que se producen con esta configuracin.

Figura 4.4.- Representacin grfica de una unin N-P Supongamos la unin n-p formada y veamos lo que sucede a ambos lados de la superficie de unin AB. Inicialmente se producir una doble difusin de electrones hacia la zona p y de huecos hacia la n, recombinndose ambos portadores y formando una zona de carga espacial (comprendida entre las dos lneas punteadas) que se extiende en un espacio limitado a ambos lados de la unin. La zona de carga espacial no puede extenderse a la totalidad del cristal, ya que en la recombinacin inicial, aparecen a la izquierda de la superficie de la unin los iones positivos anclados en la red en la zona n y a la derecha, iones negativos, sin otras cargas mviles ya que stas se recombinaron en la etapa de formacin.

6 / 4.- DETECTORES DE SEMICONDUCTOR

Si en la situacin que refleja la Figura 4.4., por ejemplo un electrn de la zona n trata de cruzar a la p al llegar a la superficie AB quedara detenido por la doble accin de atraccin de iones positivos, y la repulsin de los negativos. Igualmente, con un razonamiento paralelo se vera igualmente la imposibilidad de que un hueco franqueara la zona de carga espacial para cruzar desde la zona p a la n. Si ahora la unin n-p se polariza inversamente, aplicando tensin positiva a la zona n y negativa a la zona p, se ve con facilidad que el efecto neto es un ensanchamiento de la zona de carga espacial, ya que cada uno de los electrodos "tira" hacia s los portadores libres de su zona, permitiendo que se "descubran" ms iones a ambos lados de la unin. La creacin de la unin n-p posee unas importantes ventajas, que desde el punto de vista de la construccin de un detector de radiacin operativo, merecen una consideracin detenida. En primer lugar, por no existir ms cargas elctricas libres que las inmviles de los iones, y los portadores creados por efecto trmico, la densidad de portadores libres es del orden de 100 tomos/cm3, frente a unos 1010 tomos/cm3 en semiconductores de alta resistividad. En consecuencia, la zona de carga espacial posee una resistividad muy elevada, casi igual a la de un aislante, por lo cual la corriente de fuga que circula por una unin n-p es muy baja, del orden del nA. En segundo lugar por ser la zona de carga espacial un medio de muy alta resistividad situado entre dos capas de material semiconductor, el campo elctrico debido a la polarizacin inversa se encuentra prcticamente aplicado en su totalidad entre los lmites de la zona de carga espacial y por ello, si en esta zona se producen portadores (trmicos o debidos a la deteccin de un fotn o partcula), son acelerados y captados rpidamente por los electrodos de polarizacin. Finalmente estos efectos que ya hacen posible construir un detector operativo de semiconductor se han conseguido sin alterar, ni la continuidad y perfeccin de la red cristalina, ni aumentando la densidad de centros de recombinacin y captura.

4.6.- Tipos de detectores de semiconductor Como se ha visto anteriormente se pueden construir detectores de material semiconductor, que adoptan la configuracin de una unin n-p inversamente polarizada. En general se distinguen dos grandes grupos de detectores de semiconductor, los de fotones (radiacin gamma y X) y los de partculas (alfa, beta) cuyo estudio y propiedades sern expuestas sucesivamente. Segn se ha estudiado anteriormente, la zona til de un contador de semiconductor la constituye la zona de carga espacial pues si se produce en ella la interaccin de un evento ionizante los portadores formados se dirigen con gran rapidez hacia los electrodos del sistema, bajo la accin del campo elctrico. Sin embargo, los portadores creados en las zonas n p, donde el campo elctrico es muy dbil, deben alcanzar la zona de carga espacial prcticamente slo por difusin, proceso muy lento que los excluye en la contribucin al impulso debido a portadores originados en la zona de carga espacial. Por ello desde el punto de vista de la espectrometra de la radiacin gamma, se debe tender a que la zona de carga espacial sea lo ms ancha posible, a lo cual apunta an otra razn adicional. Por ser tanto el silicio (Z = 14), como el germanio (Z = 32) elementos ligeros, es baja la probabilidad de interaccin de radiacin gamma de energa mayor de unos 500 keV en

4.- DETECTORES DE SEMICONDUCTOR 7 /

semiconductores, lo cual lleva tambin a la necesidad de aumentar en lo posible la anchura de la zona de carga espacial. La imposibilidad en muchos casos de conseguir zonas de carga espacial de anchura conveniente, ha propiciado sistemas que alcanzan este objetivo, mediante mtodos de compensacin.

4.7.- Los detectores compensados con litio Segn lo expuesto anteriormente, es difcil fabricar detectores cuya zona activa alcance volmenes de hasta unos 100 cm3. Dado que la dificultad de ensanchar la zona de carga espacial se debe a la accin de los iones inmviles en la red, procedentes de impurezas electroactivas, una idea de llegar a la solucin, es utilizar un semiconductor compensado. El problema es a su vez difcil pues el menor exceso en una de ellas conduce a la obtencin de materiales n p. La solucin se alcanz mediante el proceso de difusin de iones, que permite alcanzar una compensacin casi perfecta. Tanto en silicio como en germanio el material ms puro asequible suele ser de tipo p, debido a que en los mejores procesos de purificacin del producto base, las impurezas remanentes (especialmente boro) son aceptoras. Se requiere pues la incorporacin de elementos donadores para alcanzar la compensacin, y entre los elementos posibles, la seleccin del litio tiene un gran nmero de ventajas. Por una parte, el litio, metal alcalino, se ioniza con facilidad, y por otra, su tamao inico es muy pequeo, lo que le hace apto para formar con facilidad impurezas intersticiales en la red. El proceso de compensacin comienza evaporando en vaco una fina capa de litio sobre una de las superficies de un semiconductor p, originndose por difusin espontnea del metal en el semiconductor una estrecha zona n. La unin n-p as formada se polariza inversamente, situndose el cristal en un sistema termosttico donde se calienta a unos 60o C. De esta forma, los iones de litio formados al transferirse su electrn de valencia a la banda de conduccin, se pueden mover en la red del semiconductor arrastrados por el campo elctrico de polarizacin. Los iones difusos tienden a moverse en la red, estacionndose en posiciones intersticiales, de tal suerte que se anule en cada punto la carga espacial. Tras un perodo de difusin que puede durar varias semanas, los resultados obtenidos quedan esquematizados en la Figura 4.5. Las zonas finales que componen el cristal son una zona n+ fuertemente impurificada con litio, otra zona cuya anchura puede alcanzar hasta 2 cm de semiconductor compensado, llamada zona I (impropiamente inicial de intrnseca), y finalmente una zona p del material original.

8 / 4.- DETECTORES DE SEMICONDUCTOR

Figura 4.5.- Representacin de un detector compensado con litio. En los detectores de germanio, la concentracin de litio requerida para compensar el material base, forma una disolucin slida sobresaturada de litio. Si el material compensado se mantiene a temperatura ambiente, la alta movilidad de los iones de litio hace que emigren de la zona compensada, capturando un electrn y precipitando como litio metlico en las vacantes de la red. Es sta una de las razones por las que el detector, al finalizar el proceso de difusin debe mantenerse continuamente a unos 77o K, a fin de retrasar lo ms posible la degradacin por descompensacin espontnea. Como se ver ms adelante durante el funcionamiento del detector compensado con litio, simbolizado como Ge(Li), la baja temperatura aade otro beneficio, el reducir la formacin espontnea de pares electrn-hueco por excitacin trmica en la zona compensada, lo que se manifiesta en una notable reduccin de la corriente de fuga y en consecuencia del ruido electrnico intrnseco del detector. Por las razones apuntadas en el prrafo anterior, los detectores de Ge(Li) deben trabajar a temperaturas de unos 77o K durante su operacin. Para conseguir este objetivo, los detectores se montan, como indica la Figura 4.6. sobre criostatos, formados bsicamente por un "dedo fro" de cobre, uno de cuyos extremos va sumergido en nitrgeno lquido, y sobre el otro va montado el detector a travs de un "contacto trmico". Prcticamente la totalidad del dedo fro se encuentra rodeado de una vaina metlica de aislamiento trmico, terminada en una cpsula que contiene el detector propiamente dicho. En la vaina as como en la cpsula reina un vaco elevado, cuya misin por una parte es actuar como aislante trmico, y por otra impedir la contaminacin de la pared lateral del detector, que acarreara un considerable aumento de la corriente de fuga (accin de vaco "sucio" o humedad condensada). El vaco esttico en la cpsula y vaina se encuentra garantizado por un tamiz molecular formado por zeolita activada, contenida en la vaina alrededor del dedo fro, y cuya accin es adsorber los gases que alcanzan el interior de la cpsula a travs de las inevitables fugas. La cpsula en su extremo frontal va provista de una ventana fina de berilio, a fin de permitir el acceso al detector de la banda ms blanda de la radiacin, como son los rayos X.

7 6 8

9 5

4.- DETECTORES DE SEMICONDUCTOR 9 /

DESCRIPCIN DEL DETECTOR

1. Nitrgeno lquido 2. Recipiente criognico Dewar 3. Detector de nivel de nitrgeno lquido 4. Collar del Criostato 5. Tubuladura de carga 6. Vlvula de vaco 7. Pared del criostato (acero inoxidable) 8. Dedo fro (aluminio) 9. Filtro de tensin de polarizacin 10. Ventana de acceso a la radiacin (aluminio, 0.5mm) 11. Alojamiento del detector 12. Cristal de germanio 13. Preamplificador 14. Bomba criognica (Tamiz molecular) 15. Dedo fro (cobre) 16. Camisa de vaco (acero inoxidable)

Figura 4.6.- Descripcin de un detector semiconductor Ge(Li).

4.8.- Detectores de germanio ultrapuro

10 / 4.- DETECTORES DE SEMICONDUCTOR

Si se utiliza germanio de la pureza usual en la fabricacin de detectores, es imposible crear zonas de carga espacial de anchura superior a unos pocos milmetros, por lo que la tcnica se ha inclinado durante mucho tiempo al proceso de compensacin con litio. Los detectores as producidos tienen, como ya se ha visto la desventaja fundamental de requerir refrigeracin continuada con nitrgeno lquido, lo que implica que un simple olvido de repostar el gas lquido, o una interrupcin de suministro ocasiona un fallo catastrfico, que obliga al reenvo del detector para que ste sea sometido a una nueva difusin, proceso que si bien "resucita al difunto", no suele mantener las caractersticas iniciales, en especial la resolucin energtica. Estas situaciones pueden ser evitadas gracias a la reciente asequibilidad de germanio en un estado excepcional de pureza, 1010 tomos/cm3 equivalente a 1 ppb. Con este material se pueden alcanzar con slo 1000 V de polarizacin, anchuras de zonas de carga espacial del orden de 10 mm, y por ello conseguir detectores cuyos volmenes activos son comparables a los de Ge(Li), y que reciben el nombre de detectores de germanio ultrapuro. Para conseguir un grado tan bajo de impurezas, se tienen que adoptar mtodos totalmente excepcionales en el proceso de fabricacin, y el resultado es tal vez la materia ms pura que el hombre ha producido. El germanio ultrapuro tiende a ser de clase p, bien por impurezas aceptoras (boro o aluminio) o a centros aceptores asociados con defectos estructurales de la propia red cristalina del germanio. La corriente de fuga excesivamente intensa impide que estos detectores funcionen a temperatura ambiente, pero la ausencia de litio permite el almacenamiento sin refrigeracin; no obstante muchos de los fabricantes recomiendan evitar los ciclos innecesarios de enfriamiento y calentamiento, para evitar la contaminacin de la superficie lateral del detector, con vapores liberados por la bomba criognica de zeolita.

4.9.- Detectores de barrera superficial: espectrometra alfa El silicio de alta calidad tipo p presenta un curioso comportamiento, consistente en la facilidad con que se forman capas de inversin tipo h, al producirse una ligera oxidacin superficial. Esta propiedad posibilita la preparacin de los llamados detectores de barrera superficial, formados por una lmina delgada de silicio p, que se somete a ciertos tratamientos qumicos de ataque y oxidacin superficial, y se recubre de una pelcula muy fina de oro. Los detectores de barrera superficial muestran dos cualidades de gran importancia. Por una parte el fondo menor (una cuenta por hora), facilita la medida de actividades muy dbiles, y por otra su excelente resolucin en energa, unos 12 keV, que supone respecto a la cmara de ionizacin una mejora en un orden de magnitud. En la Figura 4.7. se ilustra el espectro alfa de una muestra de 241Am tomada con un detector de barrera superficial, en la que se aprecian razonablemente resueltas la mayor parte de las lneas del espectro de estructura fina del radionucleido.

4.- DETECTORES DE SEMICONDUCTOR / 11

Figura 4.7.- Espectro del 241Am tomado con un detector de barrera superficial.