Détecteur à semi-conducteur

Une particule ayant une énergie suffisante, rencontrant un semi-conducteur, va arracher un électron à un atome du cristal en lui cédant une partie ou la totalité de son énergie sous forme d'énergie potentielle (ionisation) et cinétique. Par exemple, un photon créera des électrons libres dans le milieu par effet photoélectrique, effet Compton ou création de paires. Le semi-conducteur a la particularité de se comporter comme un conducteur lorsqu'il y a interaction du rayonnement et comme un isolant lorsqu'il n'y a pas interaction. Le gap est l'énergie minimale qui doit être apportée au cristal pour qu'un électron de la bande de valence (participant aux liaisons entre les atomes) soit libéré dans la bande de conduction. Le semi-conducteur est particulièrement bien adapté à la mesure de rayonnements gamma, car il permet de discriminer le courant provoqué par les particules du courant de bruit thermique.

L'électron éjecté lors de l'interaction peut déclencher à son tour d'autres ionisations en cascade si le régime de tension auquel fonctionne le détecteur lui permet d'acquérir une énergie cinétique suffisante. Après thermalisation avec le cristal, on obtient au sein du semi-conducteur un nuage de porteurs libres. Le semi-conducteur étant polarisé par une haute tension, les porteurs libres vont être attirés vers les électrodes et engendrer ainsi un courant mesurable dans un circuit connecté au détecteur.

Il existe différents modes d'utilisation, impliquant une électronique différente à la sortie du semi-conducteur :

• spectrométrie,
• comptage,
• intégration.

Le détecteur analyse chaque particule incidente séparément.

Les charges sont collectées aux électrodes et forment un signal électrique transitoire appelé impulsion. Si la collecte est complète, l'intégrale du courant mesuré est proportionnelle à l'énergie déposée par la particule incidente. On utilise un circuit électronique pour mesurer cette intégrale ; en général il s'agit soit d'un condensateur, soit d'un préamplificateur de charge.

On obtient la correspondance entre la valeur du signal électrique intégré et l'énergie déposée par la particule en effectuant un étalonnage du détecteur.

On mesure donc pour chaque particule incidente une valeur proportionnelle à son énergie. Si l'on mesure pendant un temps donné le rayonnement incident, on peut compter le nombre de particules ayant frappé le cristal (on parlera de "coups") et les classer par énergie.

On obtient ainsi un spectre montrant le nombre de coups par niveau d'énergie. On pourra ainsi observer des pics à des énergies bien précises, correspondant aux énergies des particules incidentes.

Comme les éléments radioactifs émettent des rayonnements ayant des énergies bien précises, on peut retrouver quel élément est la source des rayonnements mesurés.

Le détecteur compte les particules.

L'électronique effectue un simple comptage du nombre d'impulsions mesurées par le détecteur. L'impulsion électrique consécutive à une interaction déclenche un circuit électronique (nommé discriminateur) qui se contente d'en signaler l'existence, sans extraire l'information d'énergie. La quantité de déclenchements mesurés peut alors servir à mesurer l'activité d'une source ou la fluence du rayonnement.

Le détecteur mesure une intensité de rayonnement en continu. Cela ne permet pas de faire de la spectrométrie.

Les courants induits par les charges collectées sont ici intégrés en continu. La mesure est trop lente pour séparer les contributions individuelles mais on observe un signal à l'image du courant moyen dans le détecteur sur une certaine constante de temps. Ce courant fluctue selon l'intensité du rayonnement, quel qu'il soit.

On peut ainsi localiser des sources d'émission de radioactivité en dotant le détecteur d'un collimateur qui lui permet de recevoir les particules selon un angle solide restreint. Le détecteur devient ainsi sensible à la direction. Selon la sensibilité du semi-conducteur, la radioactivité ambiante peut également très vite se superposer au signal utile et noyer les pics intéressants dans un fond continu.

La structure de base d’un détecteur à semi-conducteur est une jonction PN polarisée en inverse.

• Selon le dopage utilisé, le type de porteur majoritaire dans un semi-conducteur peut être les électrons (type n) ou les trous (type p).

• Quand deux semi-conducteurs de types différents sont juxtaposés, la diffusion thermique des porteurs et la recombinaison électrons-trous créent une zone sans porteurs de charge à l'interface, et forme ainsi une jonction (zone de déplétion). Une barrière de potentiel se forme dans cette zone, limitant la conduction entre les deux semi-conducteurs (cette zone est comparable à la zone de capacité d’une chambre à ionisation).

• Une paire électron-trou générée par un photon interagissant dans la zone déplétée va être séparée et générer ainsi une tension ${\displaystyle V=e/C}$ où ${\displaystyle e}$ est la charge élémentaire et ${\displaystyle C}$ la capacité de jonction.

• L’application d’une polarisation inverse (Vn > Vp) élargit la zone de déplétion, ce qui augmente le volume de détection et donc l’efficacité.

Afin d'obtenir une meilleure efficacité de détection, en particulier à haute énergie, on utilise également des structures possédant une zone non dopée (intrinsèque) volumineuse insérée entre deux contacts pouvant être des zones semi-conductrices dopées (structure en diode p-i-n) ou simplement des contacts métalliques (structure métal-semi-conducteur-métal, cf. jonction Schottky). En règle générale, on polarise les jonctions en inverse de manière à minimiser le courant d'obscurité et donc d'optimiser le rapport signal sur bruit.

Une particule ionisante interagit au sein du détecteur. Elle éjecte un électron de son atome et celui-ci provoque d'autres ionisations en chaine. Après relaxation, on a généré sur un certain volume un nuage de porteurs libres : électrons dans la bande de valence et de trous dans la bande de conduction. Le nombre total de paires électron-trous généré est en moyenne proportionnel à l'énergie déposée par la particule. L'énergie nécessaire pour créer une paire est supérieure à la largeur de gap et dépend des processus de relaxation mis en jeu dans le semi-conducteur.

La variance sur le nombre de paires générées est égal à ${\displaystyle F\times N}$ où F est un facteur adimensionnel appelé facteur de Fano. Il traduit le nombre moyen d'évènements physiques indépendants mis en jeu pour la génération d'une paire. En pratique ${\displaystyle F<1}$.

Un champ électrique est appliqué au détecteur à l'aide d'électrodes : anodes polarisées positivement et cathodes polarisées négativement. Sous l'effet de ce champ, en général assez intense, les électrons et trous sont séparés et drainés vers (respectivement) les anodes et les cathodes. Les porteurs peuvent être ensuite soit recombinés soit collectés par les électrodes.

La séparation des porteurs forme alors un dipôle électrostatique qui est à son tour à l'origine d'un champ électrique inverse. Au niveau des électrodes ce champ a un effet électrique. On observe alors aux bornes du détecteur un signal de tension, courant ou charge selon les caractéristiques du circuit extérieur utilisé.

Le signal électrique est mesuré à l'aide d'un circuit électronique préamplificateur puis on en extrait par traitement du signal diverses données :

• la quantité de charges générées qui est représentative de l'énergie déposée,
• la date de l'interaction,
• la position de l'interaction (détecteur sensible à la position),
• le type de particule ayant interagi.

Les mesures effectuées sont ensuite traitées statistiquement. Typiquement, on génère des histogrammes ou spectres, représentatifs de la distribution des particules. En particulier, le spectre en énergie est utilisé pour l'identification d'isotopes radioactifs ou de tout type de matériau par fluorescence X. Il existe des logiciels automatisés pour effectuer l'identification de pics dans les spectres énergétiques.