En général, les semi-conducteurs sont des matériaux, inorganiques ou organiques, qui ont la capacité de contrôler leur conduction en fonction de la structure chimique, de la température, de l’éclairement et de la présence de dopants. Le nom de semi-conducteur vient du fait que ces matériaux ont une conductivité électrique entre celle d’un métal, comme le cuivre, l’or, etc., et celle d’un isolant, comme le verre. Ils ont une bande interdite inférieure à 4 eV (environ 1 eV). En physique du solide , cette bande interdite ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction où les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons dans un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir d’un rayonnement ionisant) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction.
Excitation par rayonnement ionisant
L’énergie pour l’excitation peut être obtenue de différentes manières. Les électrons peuvent atteindre la bande de conduction, lorsqu’ils sont excités par des rayonnements ionisants (c’est-à-dire qu’ils doivent obtenir une énergie supérieure à Egap). En général, les particules chargées lourdes transfèrent de l’énergie principalement par :
- Excitation. La particule chargée peut transférer de l’énergie à l’atome, élevant les électrons à des niveaux d’énergie plus élevés.
- Ionisation. L’ionisation peut se produire lorsque la particule chargée a suffisamment d’énergie pour éliminer un électron. Il en résulte une création de paires d’ions dans la matière environnante.
Une variable pratique qui décrit les propriétés d’ionisation du milieu environnant est le pouvoir d’arrêt. L’expression classique qui décrit la perte d’énergie spécifique est connue sous le nom de formule de Bethe. Pour les particules alpha et les particules plus lourdes, le pouvoir d’arrêt de la plupart des matériaux est très élevé pour les particules chargées lourdes et ces particules ont des portées très courtes.
En plus de ces interactions, les particules bêta perdent également de l’énergie par un processus radiatif connu sous le nom de bremsstrahlung. D’après la théorie classique, lorsqu’une particule chargée est accélérée ou décélérée, elle doit émettre de l’énergie et le rayonnement de décélération est connu sous le nom de bremsstrahlung (« rayonnement de freinage »).
Les photons (rayons gamma et rayons X) peuvent ioniser directement les atomes (bien qu’ils soient électriquement neutres) par l’effet photoélectrique et l’effet Compton, mais l’ionisation secondaire (indirecte) est beaucoup plus importante. Bien qu’un grand nombre d’interactions possibles soient connues, il existe trois principaux mécanismes d’interaction avec la matière.
Dans tous les cas, une particule de rayonnement ionisant dépose une partie de son énergie sur son trajet. La particule traversant le détecteur ionise les atomes du semi-conducteur, produisant les paires électron-trou. Par exemple, l’épaisseur typique d’un détecteur de silicium est d’environ 300 µm, de sorte que le nombre de paires électron-trou générées par la particule ionisante minimale (MIP) passant perpendiculairement à travers le détecteur est d’environ 3,2 x 104. Cette valeur est mineure en comparaison du nombre total de porteurs libres dans un semi-conducteur intrinsèque d’une surface de 1 cm2 et de même épaisseur. Notez qu’un échantillon de germanium pur à 20 °C contient environ 1,26×1021 atomes, mais contient également 7,5 x 10 11électrons libres et 7,5 x 1011 trous générés en permanence à partir de l’énergie thermique. Comme on peut le voir, le rapport signal sur bruit (S/N) serait minime. L’ajout de 0,001 % d’arsenic (une impureté) donne 1015 électrons libres supplémentaires dans le même volume et la conductivité électrique est multipliée par 10 000. Dans un matériau dopé, le rapport signal sur bruit (S/N) serait encore plus petit. Le refroidissement du semi-conducteur est un moyen d’abaisser ce rapport.
Une amélioration peut être obtenue en utilisant une tension de polarisation inverse à la jonction PN pour appauvrir le détecteur de porteurs libres, ce qui est le principe de la plupart des détecteurs de rayonnement au silicium. Dans ce cas, une tension négative est appliquée au côté p et positive au second. Les trous dans la région p sont attirés de la jonction vers le contact p et de même pour les électrons et le contact n.
Voir également:
Propriétés des semi-conducteurs [ /lgc_column]
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