2.4. Espectrometría gamma de alta resolución
2.4.3 Tipos de detectores de semiconductor
Como se acaba de comentar, se pueden construir detectores de radiación con una unión PN inversamente polarizada. Estos detectores son denominados detectores de unión. Bajo esta denominación común se agrupan tres tipos de detectores llamados, de unión difusa, de barrera de
superficie, compensados con litio, y variantes de éstos. Se describirán, en lo que sigue, las
configuraciones básicas de los distintos tipos de detectores de unión. La discusión que sigue está extraída de (Aramburu and Bisbal, 1996)
a) Detectores de unión difusa
La fabricación de este tipo de detector se inicia a partir de un cristal homogéneo de material de tipo P. A continuación, una de sus superficies se expone a un vapor de una impureza donadora, generalmente fósforo, convirtiendo una cierta región del cristal próxima a dicha superficie de tipo P a tipo N. Se forma por tanto una unión P-N a una distancia de la superficie donde las impurezas N y P invierten sus concentraciones relativas.
Para penetrar en la zona sensible de un detector de semiconductor (zona de carga espacial o zona de vaciamiento), una partícula nuclear debe, por lo general, atravesar una zona previa (denominada capa muerta o ventana del detector) insensible a la detección, es decir, la energía perdida por las partículas en esta zona no contribuye a la formación del impulso eléctrico resultante de la detección.
La existencia de una ventana o capa muerta en el detector contribuye de forma sustancial al deterioro de la resolución del sistema de detección. La resolución será tanto mejor cuanto menor sea el espesor de la ventana o capa muerta del detector. La principal desventaja de estos detectores es la existencia de una capa muerta entre la superficie y la zona de carga espacial, que debe ser atravesada por la radiación, con el consiguiente deterioro del espectro obtenido.
b) Detectores de barrera de superficie
En éstos se parte generalmente de un disco de silicio de tipo N y, por la acción de un medio ácido sobre su superficie, se consigue una alta densidad de trampas de electrones que hacen el papel de material de tipo P. El proceso culmina con la evaporación de una capa extremadamente fina de oro para realizar el contacto eléctrico. Estos detectores tienen un mayor poder de resolución que los anteriores pero son menos robustos e introducen más ruido que los primeros.
c) Detectores de implantación iónica
En los detectores de implantación iónica se emplea la técnica de la implantación de iones (bombardeo con iones acelerados del material a tratar), para formar capas N o P mediante la aceleración de iones de fósforo o de boro, por ejemplo. Con ello se consiguen ventanas muy delgadas, comparables a las obtenidas con los detectores de barrera de superficie, siendo, sin embargo, mucho más estables y más resistentes a condiciones ambientales desfavorables.
d) Detectores compensados con litio (PIN)
La detección de la radiación se debe producir en un detector de unión en la Zona de Carga Espacial ya que los portadores producidos en las zonas N o P deberían moverse exclusivamente por difusión, que es un proceso muy lento una vez alcanzado el equilibrio en la unión. En la zona de carga espacial existe un campo eléctrico generado por los iones fijos de la red que en equilibrio neutraliza el campo externo aplicado. Este campo eléctrico estará dirigido por tanto desde la zona N a la P y provoca que electrones generados en la Zona de Carga espacial se dirijan a la zona N y los huecos a la Zona P, apareciendo así una corriente inversa en el circuito.
Por ello es importante que la zona de carga espacial sea los más ancha posible, además, al ser tanto el germanio como el silicio elementos de bajo número atómico (32 y 14 respectivamente), la probabilidad de interacción con radiación gamma de más de 500 keV es bastante baja, con lo que una zona de interacción mayor aumentará la probabilidad de interacción. Si bien se puede ensanchar la zona de carga especial aumentando la tensión inversa de polarización, ésta no es una solución práctica porque no conviene trabajar a grandes tensiones y además el aumento de anchura es muy pequeño. Por todo lo expuesto, ha sido necesario desarrollar métodos de fabricación de semiconductores que aumenten la zona de carga espacial en las uniones. El proceso más utilizado es el llamado de compensación.
Se dice que un semiconductor extrínseco está compensado cuando se le han añadido una concentración de impurezas que hace que se comporte como intrínseco. Es decir, si a un semiconductor tipo P se le añaden impurezas donadoras que proporcionen electrones de exceso para compensar los huecos de las impurezas aceptoras, el material resultante se comportará como un semiconductor intrínseco. Una pregunta que podría hacerse es ¿por qué compensar un semiconductor extrínseco en lugar de utilizar un semiconductor intrínseco? La respuesta es
bastante sencilla, mientras que obtener un semiconductor ultrapuro sin ningún tipo de impurezas requiere un proceso muy complejo, compensar un semiconductor extrínseco de forma casi perfecta es relativamente sencillo desde el punto de vista tecnológico. En los detectores compensados, mediante la compensación de la zona intermedia entre el semiconductor tipo N y el tipo P se obtendrá una zona de carga espacial que puede alcanzar una anchura del orden de centímetros.
Tanto en el silicio como en el germanio el material más asequible suele ser del tipo P, debido a que en los mejores procesos de purificación del producto base, las impurezas remanentes, (especialmente boro) son aceptoras. Se requiere, por tanto, la incorporación de impurezas donadoras para alcanzar la compensación. El elemento más utilizado para este proceso es el litio ya que se ioniza con facilidad y es de pequeño tamaño con lo que es relativamente sencillo introducirlo en la red cristalina. El proceso utilizado para introducir este elemento el substrato tipo P se conoce con el nombre de difusión de iones.
Por consiguiente un detector de unión compensado, está compuesto (figura 2.12) por un cristal tipo P base en el que por adición de impurezas se han establecido tres zonas: una zona estrecha fuertemente dopada con litio que se ha convertido en semiconductor extrínseco tipo N, (estas zonas fuertemente N se suelen denominar N+), una zona cuya anchura puede alcanzar los 2 cm, de semiconductor compensado (que se denomina zona I), y finalmente una zona del material P original. Este tipo de estructura semiconductora se suelen denominar como un dispositivo PIN. Los detectores así construidos se suelen denominar como Ge(Li) para los de germanio y Si(Li) para los de silicio.
Figura 2.12 Detector de unión compensado con litio. La compensación proporciona un
volumen de interacción mayor.
Para recolectar las cargas rápidamente es necesario aplicar tensiones elevadas, del orden de 0,5 a 5 kV, a través de la región compensada. En general, todos los detectores de semiconductor deben operar a bajas temperaturas, ya que así se minimiza la generación térmica de pares electrón-hueco en la zona de transición que crea una corriente inversa de fuga que
puede enmascarar a la señal de corriente procedente de la generación de pares por la interacción de la radiación en el volumen sensible. En los detectores compensados con litio, la operación a bajas temperaturas es necesaria además porque la concentración de litio requerida para la compensación es muy elevada y a temperatura ambiente la alta movilidad del litio hace que tienda a emigrar de la zona compensada degradándose el detector. Por estas razones los detectores de este tipo deben trabajar a temperaturas muy bajas y llevan un circuito de refrigeración, de nitrógeno líquido por lo general, que mantiene la temperatura del orden de 77 K. Esta degradación de los detectores compensados a temperatura ambiente constituye una de sus principales desventajas.
e) Detectores de germanio ultrapuro (HPGe)
La degradación que sufren los detectores compensados a temperatura ambiente constituye una de sus principales desventajas y ha conducido al desarrollo de los detectores de germanio de alta pureza. Este desarrollo ha sido posible gracias a los últimos avances de la tecnología de los semiconductores, viniendo a desplazar totalmente el empleo de los detectores de Ge(Li).
En la actualidad es posible obtener con relativa facilidad germanio de una excepcional pureza con el que se pueden alcanzar con sólo 1000 V de polarización, anchuras de la zona de carga espacial del orden de 10 mm. Permitiendo conseguir detectores cuyos volúmenes activos son comparables a los de Ge(Li) sin necesidad de compensación. Estos detectores se suelen denominar como detectores de germanio ultrapuro o de germanio intrínseco (HPGe).
Figura 2.13 Detector HPGe Criostato y Dewar (adaptado de (Debertin and R.G., 1988b)
La principal ventaja de estos detectores es que pueden permanecer a temperatura ambiente sin sufrir deterioro alguno. No obstante, a fin de conseguir niveles bajos de ruido debido a la alta corriente de fuga que presentan, es aconsejable mantenerlos a la temperatura del
nitrógeno líquido durante su operación. De los detectores basados en semiconductores, el HPGe (Germanio de alta pureza) es el más utilizado para los sistemas de espectrometría gamma y es el utilizado en este trabajo de Tesis Doctoral.
Figura 2.14 Modelo 7500SL Criostato con varilla vertical (Camberra)