Leandro Leal socrates.if.usp.br

Apresentação em tema: "Leandro Leal socrates.if.usp.br"— Transcrição da apresentação:

1 Leandro Leal leal @ socrates.if.usp.br
Detectores de Silício Leandro Leal socrates.if.usp.br

2 0. Física Nuclear Experimental
Física Experimental Física como ciência experimental Experiência dá a resposta final Física Nuclear Continuação dos conhecimentos anteriores

3 1. História Construídos na década de 50 Comercializado a partir de 60’
1ª vez detectores com alta resolução em energia Detecção da trajetória das partículas Somente partículas carregadas

4 2. Detectores Detectores a gás Detectores cintiladores
Detectores semi-condutores. Também conhecidos como detectores de estado-sólido

5 2. Detectores semi-condutores Princípio análogo aos detectores a gás
A passagem de radiação gera pares elétron-lacuna que são capturados por campos elétricos

6 2. Detectores Vantagens:
Energia média necessária para criar par é 10 vezes menor que nos gases Maior ionização = maior resolução Alta densidade = grande stopping power Tempos de resposta muito rápidos

7 2. Detectores Desvantagens: Compactos
Em geral, precisam de um sistema de resfriamento Sensíveis a danos causados por radiação Compactos

8 3. Semi-condutores Propriedades:
São materiais cristalinos em que sua camada atômica mais externa possui uma estrutura de banda de energia

9 3. Semi-condutores Bandas de energia:
O tamanho do gap é determinado por: Espaço entre os átomos Temperatura Pressão Eg aproximadamente 6eV nos isolantes Eg aproximadamente 1eV nos semi-condutores

10 3. Semi-condutores Bandas de energia: isolante condutor Semi-condutor
Gap De Energia Banda de Condução Banda de Valência isolante condutor Semi-condutor

11 3. Semi-condutores Portadores de carga: Elétrons Lacunas
A corrente surge de duas fontes: Elétrons Lacunas

12 3. Semi-condutores Velocidade e densidade de corrente

13 3. Semi-condutores Recombinação
Contrário da produção elétron-lacuna Emitem fótons Centros de Recombinação são resultados de impurezas Principal processo Níveis adicionais nos gaps de energia

14 3. Semi-condutores Impurezas x Dopantes
Impurezas atrapalham nas medições pois capturam as partículas Níveis profundos energia (centro) Dopantes realçam as características do detector Níveis rasos (próximo as bandas) Pouco dopante ~ 10^13

15 3. Semi-condutores Semi-condutores dopados
Puros (Intrínsecos) => ne = hl Muda-se esse balanço introduzindo átomos com + ou – 1 elétron na camada de valência Si é tretravalente Dopantes tri e pentavalente

16 3. Semi-condutores Dopante pentavalente (tipo-N) Doadores (Ar,P)
Sobra um elétron (o que não torna o cristal carregado) Elétron num nível de energia discreto próximo a camada de condução Facilmente excitado Corrente majoritária de elétrons

17 3. Semi-condutores Dopante trivalente (tipo-P) Receptores (Ga,B,I)
Falta um elétron (aumenta o número de lacunas) lacuna num nível de energia discreto próximo a camada de valência Facilmente excitado Corrente majoritária de lacunas

18 3. Semi-condutores Semi-condutores Compensados
Todos os semi-condutores tem impurezas Quando em igual quantidade são chamados de compensados Altas resistividades ~ Ohm.cm

19 3. Semi-condutores Junção PN Semelhante ao diodo
Justaposição de matérias tipos P e N elétrons N P lacunas corrente

20 3. Semi-condutores Junção PN Estrutura Inicialmente Neutra
Cargas migram e geram um potencial chamado Potencial de Contato Devido ao campo elétrico, o material entra em equilíbrio e cria a Zona de Depleção

21 3. Semi-condutores Zona de Depleção Vazia de portadores de carga
Quando um par é criado, imediatamente é “chutado” pra fora da zona pelo campo elétrico. Análogo a uma câmara de ionização

22 3. Semi-condutores Zona de Depleção
O campo elétrico é muito pequeno para a detecção de radiação Pouco espessa Alta capacitância Capacitância gera ruído d ~ 75 micrometros

23 3. Semi-condutores Junção polarizada inversamente
Aplica-se uma tensão (bias) na extremidade do material Aumenta o campo elétrico e a zona de depleção No Si para V = 300 V: d ~ 1 mm >> 75 micrometro

24 4. Características Eletrodos dos dois lados da junção para coletar cargas Utiliza-se materiais tipos N+ e P+ nos terminais Baixa energia media para a criação do par elétron-lacuna E. perdida = 3,62 eV E. necessária = 1,16 eV

25 4. Características Presença de uma corrente de fuga Ruído
Limite inferior de altura de pulso Portadores minoritários Contaminantes Temperatura ambiente

26 4. Características Trabalha a temperatura ambiente
Tamanho reduzido A ~ 10 cm^2 Resposta linear com a energia

27 5. Tipos - Energia Diodo de Junção Difusa Os primeiros fabricados
Difundir impurezas tipo-N em material homogeno tipo-P (~ 1000 °C) Zona mais estendida para a região P Camada “morta” Tempo de vida dos portadores de carga diminui

28 5. Tipos - Energia Diodo de Junção Difusa Vantagens: Robustez
Alta resistência a contaminantes na superfície do detector

29 5. Tipos - Energia Barreira de Superfície O mais usado
Resultado da junção de um semi-condutor com um metal Tipo-N + Ouro Tipo-P + Alumínio d ~ 5 mm

30 5. Tipos - Energia Barreira de Superfície Feito a temperatura ambiente
Ouro evaporado sobre a superfície Vantagens: Detectores totalmente depletados Alta resolução Curto tempo de coleção < 10 ns

31 5. Tipos - Energia Barreira de Superfície Desvantagens:
Sensíveis a luz Sensíveis a contaminação Manupilar com cuidado Nunca por o dedinho no metal Cuidado com o óleo da câmara

32 5. Tipos - Energia Diodo de Íons implantados
Formado pelo bombardeamento do cristal com um feixe de íons de um acelerador Processo muito mais controlado Menor ruído Mais estável. Os mais caros, mais bonitos e os mais cheirosos

33 5. Tipos - Energia Lithium drifted Sillicon Si(Li)
Feito de material compensado d ~ 15 mm Possível detectar Beta e raios-X de baixa energia Muito sensível a luz. Precisa ser resfriado.

34 5. Tipos - Posição Detector tipo “pad”
Conjunto de células operando independentes Cada célula é uma junção PN implantadas num substrato de silício isoladas por uma camada de SiO_2 Resolução determinada pelo tamanho da célula

35 5. Tipos - Posição Detector Multifilar Sensível à Posição
Fios estendidos paralelamente em um só sentido Três camadas de fio para detecção bi-dimensional Circuito em serie de resistores ligados aos fios

36 5. Tipos - Posição Detector tipo “microstrip”
Linhas implantadas na superficie do detector Trilhas de 10 micrometros Resolucao de 1 micrometro Fina espessura ~ 300 micrometros Tempo de coleta muito curto < 10 ns Usados como triggers

37 5. Tipos - Posição Detector tipo “Active Pixel”
Semelhante ao detector tipo “pad” Pequenas células ~ 30 micrometros A diferença esta na eletrônica de frente (readout) que é integrada diretamente em cada uma das células Menor capacitância Maior robustez

38 5. Tipos - Posição Detector tipo “Silicon Drift”
Chapa de silício do tipo-N com “flats” tipo P+ incrustados dos dois lados Sendo o ultimo flat do tipo-N e aplicando-se um campo elétrico ao detector os elétrons migram em direção ao flat tipo-N Com o auxilio de um trigger pode-se saber qual a posição das partículas