YARIİLETKEN DEDEKTÖRLER

1. VIII.ULUSLARARASI KATILIMLIPARÇACIK HIZLANDIRICILARIVE DEDEKTÖRLERİ YAZ OKULU YARIİLETKEN DEDEKTÖRLER Doç. Dr. Serdar KARADENİZ Türkiye Atom Enerjisi Kurumu Sarayköy Nükleer Araştırma ve Eğitim Merkezi

2. 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

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

4. 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.

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

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

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

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

9. 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.

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

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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 bile elektronu iletkenlik bandına transfer edemez.

16. 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?

17. Yarıiletkenler • İletkenlik değerleri metaller için 1010(.cm)-1, yalıtkanlar için 10-22(.cm)-1dir. • 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. Elektronu uyarma mekanizmaları • Termal enerji Termal enerji = = (1,38x10-23J/K)(300K) = 25meV Oda sıcaklığındaki küçük termal enerji bile birçok elektronun valans bandından iletkenlik bandına doğru uyarılmasına sebep olur.

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

23. Örneğin silikon için (Eg=1,1eV) (yakın IR bölge) Yani elektronları uyarmamız için veya daha küçük dalga boylu ışığı kullanmamız yeterli.

24. 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.

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

26. 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.

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

28. 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.

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

30. Elektronların iletkenlik bandındaki toplam konsantrasyonları; Deşiklerin değerlik bandındaki toplam konsantrasyonları; Tüketme tabakası genişliği katkılama yoğunluğuna bağlıdır. Verilen bir kalınlık için full tüketme voltajı;

31. 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)

33. 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

34. Akım transport mekanizmaları

35. 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.

36. 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.

37. 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.

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

39. 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.

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

41. SiPM’ler (Silicon Photomultiplier)

42. 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.

43. 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.

44. 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.

45. 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.

46. Pozisyon algılama (mikroşerit dedektörler) • Maksimum şerit uzunluğu, kullanılan wafer ile sınırlıdır. Ancak daha uzun elektrotlar yaratmak için birçok mikroşerit sensör ardarda birleştirlebilir.

47. 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.

48. 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.

49. 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.

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