Détecteur à semiconducteur - Définition

Comparaison aux autres types de détecteur

• Avantages :
  • Très bonne résolution en énergie, en particulier dans le cas des détecteurs HPGe (germanium de haute pureté) utilisés à basse température.
  • Détecteurs compacts (puisque solides).
  • Précision, bonne résolution spatiale (structuration en pixels et micro-bandes, utilisation des technologies de photolithographie issues de la micro-électronique).

• Inconvénients :
  • chers ;
  • fragiles ;
  • susceptibles d'être dégradés par les radiations.

Caractéristiques

• Efficacité

L'efficacité d'un détecteur semi-conducteur dépend de nombreux facteurs : le type et l'énergie du rayonnement incident, sa géométrie, la densité et le numéro atomique du matériau utilisé, les éventuelles zones mortes dues aux propriétés de transport des porteurs et au mécanisme d'induction de signal. Cependant, les détecteurs semi-conducteurs étant solides et donc relativement denses, ils sont à géométrie égale souvent plus efficaces que les détecteurs à gaz.

• Résolution en énergie

Dans les semi-conducteurs, quelques eV suffisent à créer une paire électron-trou, ce qui est environ 10 fois moins que un gaz, et 100 fois moins qu'avec un scintillateur. Cela se traduit par une meilleure résolution en énergie, puisque la statistique sur le nombre de charges élémentaires créées est plus favorable. La fluctuation du nombre de charges collectées est donc moins importante, d'où une meilleure résolution intrinsèque. Cependant, d'autre facteurs de dégradation tempèrent cette caractéristique très favorable : le bruit dû au courant de fuite, celui dû au circuit de lecture et les déficits causé par les collectes incomplètes.

• Linéarité

Les détecteurs à semi-conducteur ont une bonne linéarité, dans la mesure où seuil de perte d’énergie est très faible. Néanmoins, pour les particules fortement ionisantes, comme les ions lourds, l’efficacité de collecte est affectée par l’effet de charge spatiale (les charges dérivent moins vite, donc il y a plus de recombinaison, parce que le champ électrique est diminué).

• Courant d'obscurité et bruit

Même si la jonction est inversement polarisée, il existe un très faible courant (~nA) à travers la jonction. Ce courant n'est pas gênant en lui-même mais ses fluctuations (le bruit associé) le sont. Ces fluctuations sont causées par la nature discrète des phénomènes microscopiques. Lorsqu'un porteur est injecté au contact, généré dans le volume, piégé ou dépiégé, lorsqu'il subit une collision avec le réseau cristallin, ont a des phénomènes élémentaires aléatoires susceptibles de contribuer au bruit. Moins on aura de porteurs « inutiles » (générés par autre chose que le rayonnement) dans un détecteur, mieux cela sera.

• Temps de montée

Les détecteurs à semi-conducteurs peuvent être très rapides. La durée du signal correspond au temps de transit des porteurs ou à leur durée de vie. Il peut aller de la nanoseconde à la microseconde selon la géométrie du détecteur et l'intensité du champ électrique.

Applications

Les détecteurs à semi-conducteur sont utilisés dans les différents domaines où l'on a affaire à des rayonnements ionisants :

couramment :

• en industrie nucléaire et radioprotection,
• en sciences avec en particulier la physique des particules, la spectrométrie de fluorescence X et la cristallographie,

de manière encore marginale, essentiellement pour des raisons de coût :

• en radiographie pour le contrôle non-destructif,
• en physique médicale (radiothérapie et imagerie médicale).

Différent types de mesure peuvent être effectués :

• Mesures d’énergie : les détecteurs à semi-conducteur ont une excellente résolution en énergie. Cependant l'efficacité des détecteurs à jonction est limitée par l’épaisseur de la zone de déplétion (de l’ordre du mm).
• Mesures de temps : temps de vol de particule, détection de positon.
• Mesures de position, en profitant des technologies de la microélectronique pour fabriquer des motifs d'électrode précis sur le cristal :
  • Détecteur au silicium à micro-bandes ;
  • Détecteur à pixels, CCD.