Полупроводниковый детектор. 
Потери энергии на фотоядерные взаимодействия

Полупроводниковый детектор — прибор для регистрации ионизирующих излучений, основным элементом которого является кристалл полупроводника.

Полупроводниковые детекторы являются твердотельным аналогом газовых ионизационных камер, в которых рабочая среда — газ заменена конденсированной средой — твердым телом. Принцип их работы сводится к измерению импульсов напряжения, возникающих в результате возрастания проводимости кристалла под действием поступающих в него частиц или фотонного излучения.

Прохождение ионизирующего излучения вызывает в диэлектрике образование разноименных носителей зарядов (электронов и дырок). Внешнее напряжение создает внутри кристалла электрическое поле. Электроны и дырки движутся под действием этого поля к электродам. По мере того, как носители смещаются, они индуцируют на электродах заряд, пропорциональный пройденной ими разности потенциалов. Для того чтобы такая камера с твердым наполнителем работала долго, а сигнал, получаемый на ее выходе, был пропорционален энергии, потерянной заряженной частицей в чувствительном объеме камеры, и, наконец, протяженность сигнала во времени была небольшой, наполнитель должен характеризоваться:

• ? малой величиной средней энергии, расходуемой заряженной частицей для создания одной пары носителей заряда;
• ? отсутствием рекомбинации и захвата носителей;
• ? большой подвижностью носителей заряда обоих знаков;
• ? большим удельным электрическим сопротивлением.

Чувствительная (рабочая) область полупроводникового детектора — эта такая область, в которой отсутствуют свободные носители заряда. В ней находятся лишь атомы исходного полупроводника, ионы акцепторов и доноров. Попав в чувствительную область, заряженная частица вызывает ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне — дырки. При подаче на электроды, между которыми находится полупроводник, даже небольшого напряжения возникает движение электронов и дырок, формируется импульс тока. К полупроводниковому кристаллу прикладывается напряжение до нескольких кВ, что обеспечивает сбор всех зарядов, образованных частицей в объёме детектора. Число носителей электрических зарядов, участвующих в образовании постоянного тока, несет информацию об энергии, которую заряженная частица потеряла в чувствительной области.

Энергия частиц и квантов, регистрируемых детектором, такова, что основные потери энергии частиц расходуются на возбуждение электронно-дырочных пар. Полное число неравновесных носителей в треке составляет:

Nо = Eo / Ei, (8).

где Ео — энергия, теряемая частицей в объёме полупроводника;

Ei — энергия, расходуемая частицей на ионизацию одной электронно-дырочной пары.

Под действием приложенного к детектору разности потенциалов (U) электроны и дырки из трека дрейфуют к соответствующим электродам, т. е. т. е. дырки будут уходить в n-область, а электроны, переходя в р-область, и наводят импульс тока во внешней цепи.

Реально в ионизационном пространстве при поглощении единичной частицы формируется пакет электронно-дырочных пар с концентрацией Nо. При движении пакетов электронов и дырок в межэлектродном пространстве часть носителей рекомбинирует либо захватывается на центры прилипания, и до контактов не доходит.