Quelltext der Seite Halbleiterdetektor

{{Dieser Artikel|beschreibt Detektoren für ionisierende Strahlung. Für Detektoren von Licht siehe [[Photoelektrischer Effekt#Innerer photoelektrischer Effekt|innerer photoelektrischer Effekt]].}}
[[Datei:HPGe detector.jpg|miniatur|Halbleiterdetektor für Gammastrahlung. Der hochreine Germanium-[[Einkristall]] innerhalb des Gehäuses hat rund 6 cm Durchmesser und 8 cm Länge]]

Ein '''Halbleiterdetektor''' ist ein [[Strahlungsdetektor|Strahlungs-]] oder [[Teilchendetektor]], bei dem spezielle elektrische Eigenschaften von [[Halbleiter]]n ausgenutzt werden, um [[ionisierende Strahlung]] nachzuweisen. Die Strahlung erzeugt im Halbleiter freie Ladungsträger, die zu Elektroden aus Metall wandern. Dieses Stromsignal wird verstärkt und ausgewertet. Halbleiterdetektoren werden beispielsweise in der [[Spektroskopie]], [[Kernphysik]] und [[Teilchenphysik]] eingesetzt.

== Funktionsprinzip ==
Vereinfacht gesagt ist der Detektor eine [[Diode]], an die eine Gleichspannung in Sperrrichtung angelegt ist, so dass normalerweise kein Strom fließt. Erzeugt nun die einfallende Strahlung im Material [[Elektron-Loch-Paar]]e, also freie Ladungsträger, wandern diese im [[Elektrisches Feld|elektrischen Feld]] zu den [[Elektrode]]n und sind als Stromimpuls messbar.

Wie viele Elektron-Loch-Paare ein Teilchen oder [[Quant]] der einfallenden Strahlung freisetzt, hängt neben seiner Energie maßgeblich von der [[Bandlücke]]nenergie des verwendeten Materials ab. Je nach Art der ionisierenden Strahlung entstehen die im Detektor erzeugten Ladungswolken auf unterschiedliche Weise und sind unterschiedlich im Volumen verteilt. Ein geladenes Teilchen erzeugt entlang seiner Bahn eine Ionisationsspur. Ein [[Photon]] kann hingegen durch den [[Photoeffekt]] die gesamte seiner Energie entsprechende Ladung praktisch an einem Punkt freisetzen, indem es sie an ein [[Sekundärelektron]] abgibt. In Konkurrenz zum Photoeffekt tritt bei höherer Photonenenergie der [[Compton-Effekt]] auf, bei dem nur ein Teil der Energie auf das Elektron übergeht und im Detektor deponiert wird.

== Anwendung ==
Halbleiterdetektoren werden wegen ihres hohen Energieauflösungsvermögens und – bei entsprechender Strukturierung – ihrer Ortssensitivität (positionsempfindliche Detektoren) verwendet.
Eingesetzt werden sie z.&nbsp;B. in der [[Röntgenfluoreszenzanalyse]], [[Gammaspektroskopie]], [[Alphastrahlung|Alphaspektroskopie]] und [[Teilchenphysik]].
Ein Beispiel für letzteres ist der [[Semiconductor Tracker]] (SCT) des Detektors [[ATLAS (Detektor)|ATLAS]].<ref>Siehe auch [[RD50]] (Radiation hard semiconductor devices for very high luminosity colliders), ein internationaler Forschungsverbund am CERN, der strahlenharte Halbleiterdetektoren für zukünftige Experimente an Beschleunigern mit höchsten Luminositäten entwickelt.</ref>

=== Elektromagnetische Strahlung ===
Bei der [[Absorption (Physik)|Absorption]] von hochenergetischer [[Ultraviolettstrahlung]] ([[VUV-Strahlung|Vakuum-UV]], [[Extrem ultraviolette Strahlung|Extrem-UV]]) sowie [[Röntgenstrahlung|Röntgen-]] und [[Gammastrahlung]] wird zunächst ein primäres Elektron vom [[Valenzband|Valenz-]] in das [[Leitungsband]] gehoben. Seine [[kinetische Energie]] ist sehr hoch, weshalb in Folge zahlreiche sekundäre Elektronen und [[Phonon]]en entstehen. Die Erzeugung von Sekundärteilchen ist ein statistischer Prozess.
Bei gleicher Anfangsenergie entsteht deshalb nicht stets die gleiche Zahl von Ladungsträgern. Die Reichweite der Sekundärteilchen ist relativ kurz. Verglichen mit den Ionisationsprozessen, die durch geladene Teilchen hervorgerufen werden, werden die Ladungsträger in einem sehr kleinen Raumbereich erzeugt.

Um eine hohe Nachweiswahrscheinlichkeit zu erreichen, werden für Gammastrahlung Halbleiter mit hoher [[Ordnungszahl]] wie [[Germanium]], [[Galliumarsenid]] oder [[Cadmiumtellurid]] verwendet. Außerdem ist eine relativ große Dicke des [[Einkristall]]s nötig. Halbleiterdetektoren aus Germanium, wie der abgebildete [[Gammaspektroskopie#Detektor|HP-Ge-Detektor]], müssen auf die Temperatur von [[Flüssigstickstoff]] (77&nbsp;K bzw. −196,15 °C) gekühlt werden, weil sie bei Raumtemperatur einen sehr hohen Leckstrom haben, der bei der notwendigen Betriebsspannung zur Zerstörung des Detektors führen würde.<ref>{{Literatur| Autor = Rudolf Nicoletti, Michael Oberladstätter und Franz König| Titel = Messtechnik und Instrumentierung in der Nuklearmedizin: Eine Einführung| Verlag = facultas.wuv Universitätsverlag| ISBN = 978-3-7089-0619-5| Jahr = 2010| Seiten=69| Online = {{Google Buch | BuchID = bn9AP8DsK5MC | Seite = 69 }}}}</ref> Die früher verwendeten [[Lithium]]-gedrifteten Germaniumdetektoren (übliche Bezeichnung: [[Gammaspektroskopie#Detektor|Ge(Li)-Detektor]]) sowie die heute noch üblichen [[Si(Li)-Detektor|Lithium-gedrifteten Siliziumdetektoren]] (Si(Li)-Detektor) müssen sogar ständig gekühlt werden, weil eine Lagerung bei Raumtemperatur sie durch Lithium-[[Diffusion]] zerstören würde. Eine Kühlung verringert auch das Eigenrauschen.

Siehe auch [[Bildsensor#Röntgensensoren|Röntgen-Bildsensor]].

=== Alphastrahlung ===
Die [[Reichweite (Teilchenstrahlung)|Eindringtiefe]] von [[Alphastrahlung|Alphateilchen]] ist mit ca. 25&nbsp;µm relativ gering, da ihre Ionisationsfähigkeit sehr hoch ist. Nach der [[Bethe-Bloch-Gleichung]] hängt der Ionisationsverlust geladener Teilchen von ''Z''²/''v''² ab, nimmt also bei höherer Kernladungszahl <math>Z</math> und kleinerer [[Geschwindigkeit]] <math>v</math> zu. Die Dichte der Elektron-Loch-Paare nimmt deshalb mit der Tiefe zu, denn beim Eindringen nimmt die Geschwindigkeit des Alphateilchens ab. Sie hat ein deutliches Maximum am Endpunkt ([[Bragg-Kurve]]).

=== Betastrahlung ===
[[Elektron]]en haben im Vergleich zu Alphateilchen eine um Größenordnungen geringere Masse und eine halb so große [[Ladung (Physik)|elektrische Ladung]]. Ihre Ionisationsfähigkeit ist also sehr viel geringer. [[Relativitätstheorie|Relativistische]] (hochenergetische) [[Betastrahlung]] dringt deshalb deutlich tiefer in den Detektor ein oder durchdringt ihn vollständig und erzeugt entlang ihrer Bahn eine gleichmäßige Dichte von Elektron-Loch-Paaren. Ist ihre Energie größtenteils abgegeben, so entsteht – ähnlich wie bei Alphateilchen – eine höhere Ionisierung am Endpunkt ihrer Bahn. Extrem niederenergetische Elektronen erzeugen keine Ladungsträger mehr und wechselwirken primär mit [[Phonon]]en.

=== Andere Teilchenarten ===
Geladene Teilchen mit hoher Energie ([[Pion]]en, [[Kaon]]en usw.) durchdringen den Detektor mit annähernd konstanter Geschwindigkeit und erzeugen entlang ihrer Bahn Elektron-Loch-Paare mit einer gleichmäßigen Dichte. Diese Dichte ist annähernd unabhängig von der Energie der Teilchen und proportional zum Quadrat ihrer elektrischen Ladung.
Hingegen erzeugen Protonen und (geladene) Kerne eine Ionisationsdichte, die ebenfalls proportional zum Quadrat ihrer Ladung, aber umgekehrt proportional zu ihrer Energie ist.

Neutronen oder sehr schnelle Protonen können ebenfalls in Halbleiterdetektoren Signale erzeugen, indem sie z.&nbsp;B. einen [[Atomkern]] anstoßen, wodurch wiederum Elektron-Loch-Paare erzeugt werden. Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit dafür gering. Aus diesem Grund sind Halbleiterdetektoren zum Nachweis dieser Teilchen weniger geeignet.
<!--== Aufbau ==-->
== Siehe auch ==
* [[Siliziumdriftdetektor]]

== Literatur ==
{{Siehe auch|Radiometrie}}
* {{Literatur |Autor=Harald Büker |Titel=Theorie und Praxis der Halbleiterdetektoren für Kernstrahlung |Verlag=Springer Berlin Heidelberg |Ort=Berlin, Heidelberg |Datum=1971 |ISBN=978-3-642-80614-8 |DOI=10.1007/978-3-642-80613-1}}
* {{Literatur |Autor=Gerhard Lutz |Titel=Semiconductor Radiation Detectors |Verlag=Springer Berlin Heidelberg |Ort=Berlin, Heidelberg |Datum=2007 |Sprache=en |ISBN=978-3-540-71678-5 |DOI=10.1007/978-3-540-71679-2}}

== Weblinks ==
* [http://www.solstice.de/grundl_d_tph/exp_detek/exp_detek_09.html Halbleiterdetektor (Grundlagen der Teilchenphysik)]
* {{internetquelle |autor=Martin zur Nedden |hrsg= |url= http://www-hera-b.desy.de/people/nedden/lectures/05_06/dettph/dettph_kap06.pdf|format= Vorlesungsskript im Wahlpflichtfach Teilchenphysik, Humboldt-Universität zu Berlin, Sommer-Semester 2006; PDF; 561&nbsp;kB|sprache= |titel=Kapitel 6: Halbleiterdetektoren|werk= Detektoren in der Elementarteilchenphysik|seiten= |datum= 2006|zugriff= 26. Mai 2009|kommentar=}}
* [http://www.techniklexikon.net/d/halbleiterzähler/halbleiterzähler.htm Vergleich der Energieauflösung eines Ge(Li)-Halbleiterdetektors und eines NaI(Tl)-Szintillators]

== Einzelnachweise ==
<references />{{Normdaten|TYP=s|GND=4158795-9}}
[[Kategorie:Teilchendetektor]]
[[Kategorie:Festkörperphysik]]