آشکارسازهای نیمه‌رسانا
آشکارساز نیمه رسانا در "فیزیکِ تشخیصِ پرتوهای یون‌ساز" دستگاهی است که از یک نیمه رسانا (معمولاً سیلیکون یا ژرمانیوم ) برای اندازه گیری اثر ذرات باردار یا فوتون های برخوردی استفاده می کند.
آشکارسازهای نیمه هادی کاربردهای گسترده ای در حفاظت در برابر تشعشع ، طیف سنجی گاما و اشعه ایکس و استفاده به عنوان آشکارساز ذرات، دارد.
در آشکارسازهای نیمه‌رسانا، تابش یون‌ساز توسط تعداد حامل‌های بار آزاد شده توسط تابش در مادهٔ آشکارسازی که مابین دو الکترود قرار داده شده‌است، اندازه‌گیری می‌شود. تابش یون ساز الکترون و حفرهٔ آزاد تولید می‌کند. تعداد جفت‌های الکترون-حفره متناسب با مقدار انرژی انتقالی از تابش به نیمه هادی است. در نتیجهٔ انتقال تعدادی از الکترون‌ها از باند ظرفیت به باند هدایت، به همان تعداد، حفره در باند ظرفیت ایجاد می‌شود (ظرفیت و باند انتقال). تحت تأثیر یک میدان الکتریکی، الکترون‌ها و حفره‌ها به سمت الکترودها حرکت کرده، و سبب ایجاد پالسی می‌شود که توسط یک مدار خارجی قابل اندازه‌گیری است و به «عنوان قضیه شاکلی-رامو» توصیف می‌شود. حفره‌ها جای خالی الکترون‌ها بوده و در خلاف جهت الکترون‌ها حرکت می‌کنند. از آنجایی که مقدار انرژی لازم جهت ایجاد یک جفت الکترون-حفره مشخص بوده و به انرژی تابش برخوردی وابسته نیست، می‌توان با اندازه‌گیری تعداد جفت الکترون - حفره‌ها، شدت تابش برخوردی را تعیین کرد.
در آشکارسازهای نیمه‌رسانا، انرژی لازم جهت تولید جفت الکترون-حفره در مقایسه با آشکارسازهای گازی بسیار کم است. در نتیجه، در آشکارسازهای نیمه‌هادی تنوع آماری ارتفاع پالس کوچکتر بوده و در نتیجه قدرت تفکیک انرژی بسیار بالاتر است. چون سرعت حرکت الکترون بسیار سریع است، رزولوشن زمانی نیز خوب بوده، و به زمان خیز وابسته است. در مقایسه با آشکارسازهای یونیزاسیون گاز، چگالی آشکارسازهای نیمه هادی بسیار بالا بوده و ذرات باردار با انرژی بالا می‌توانند انرژی خود را به یک‌نیمه هادی با ابعاد نسبتاً کوچک انتقال دهند.
اکثر آشکارسازهای ذرات سیلیکونی، در اصل، با دوپینگ نوارهای سیلیکونی باریک (معمولاً تا عرض حدود 100 میکرومتر) کار می کنند تا آنها را به دیود تبدیل کنند، که سپس بایوس معکوس می شوند . وقتی ذرات باردار از این نوارها عبور می کنند، جریان های یونیزاسیون کوچکی ایجاد می‌شود که قابل تشخیص و اندازه گیری هستند. قرار دادن تعداد بالا از این آشکارسازها در اطراف نقطه برخورد، در یک شتاب دهنده ذرات می تواند تصویر دقیقی از مسیرهایی که ذرات طی می کنند به ما نشان دهد. آشکارسازهای سیلیکونی وضوح بسیار بالاتری در ردیابی ذرات باردار نسبت به فناوری‌های قدیمی‌تر مانند محفظه‌های ابری یا محفظه‌های سیم دارند . تنها مورد این است که آشکارسازهای سیلیکونی بسیار گران‌تر از این فناوری‌های قدیمی هستند و برای کاهش جریان‌های نشتی (منبع نویز) به خنک‌کننده پیچیده نیاز دارند. آنها همچنین در طول زمان در اثر تشعشع دچار تخریب می شوند، با این حال به لطف می توان این میزان را تا حد زیادی کاهش داد.
آشکارسازهای الماسی شباهت‌های زیادی با آشکارسازهای سیلیکونی دارند، اما انتظار می‌رود که مزیت‌های قابل‌توجهی، به ویژه سختی در تشعشع‌های بالا و جریان‌های رانش بسیار کم را ارائه دهند. این نوع از آشکارسازها در حال حاضر بسیار گران تر و تولید آنها دشوارتر است.
آشکارسازهای ژرمانیوم بیشتر برای طیف سنجی گاما در فیزیک هسته ای و همچنین طیف سنجی اشعه ایکس استفاده می شوند . در حالی که آشکارسازهای سیلیکونی نمی‌توانند ضخیم‌تر از چند میلی‌متر باشند، ژرمانیوم می‌تواند ضخامت حساس و بسیار کم سانتی‌متری داشته باشد و بنابراین می‌تواند به عنوان آشکارساز جذب کل، برای پرتوهای گاما تا چند مگا الکترون ولت استفاده شود. این آشکارسازها را آشکارسازهای ژرمانیوم با خلوص بالا (HPGe) یا آشکارسازهای ژرمانیوم هایپرخالص نیز می نامند. قبل از اینکه تکنیک‌های تصفیه فعلی مورد استفاده قرار گیرند، کریستال‌های ژرمانیوم را نمی‌توان با خلوص کافی برای استفاده از آنها به عنوان آشکارسازهای طیف‌سنجی تولید کرد. ناخالصی‌های موجودِ در کریستال‌ها، الکترون‌ها و حفره‌ها را به دام می‌اندازند و عملکرد آشکارسازها را خراب می‌کنند. در نتیجه، کریستال‌های ژرمانیوم با یون‌های لیتیوم (Ge(Li)) تلفیق شدند تا یک ناحیه ذاتی تولید کنند که در آن الکترون‌ها و حفره‌ها بتوانند به ارتباط‌ها برسند و سیگنال تولید کنند.
هنگامی که آشکارسازهای ژرمانیوم برای اولین بار ساخته شدند، ‍فقط بلورهای بسیار کوچک در دسترس بودند و در نتیجه راندمان بسیار پایین بود. راندمان آشکارساز ژرمانیوم هنوز اغلب به صورت نسبی به یک آشکارساز کم نور 3 اینچ در 3 اینچ NaI(Tl) گفته می‌شود. تکنیک‌های رشد کریستال از آن زمان بهبود یافته‌اند و امکان ساخت آشکارسازهایی هم اندازه، یا بزرگ‌تر از بلورهای معمولی NaI را فراهم می‌کنند، اگرچه این آشکارسازها بیش از 100000 یورو (113000 دلار آمریکا) قیمت دارند!
, آشکارسازهای HPGe معمولاً از انتشار لیتیوم برای ایجاد یک تماس اهمی + n و از کاشت مدل بور برای ایجاد تماس p + استفاده می کنند. آشکارسازهای کواکسیال با تماس مرکزی n+ به عنوان آشکارسازهای نوع n شناخته می شوند، در حالی که آشکارسازهای نوع p دارای تماس مرکزی p+ هستند. ضخامت این تماس ها نشان دهنده یک لایه مرده در اطراف سطح کریستال است که در آن رسوبات انرژی منجر به سیگنال های آشکارساز نمی شود. تماس مرکزی در این آشکارسازها مخالف تماس سطحی است و باعث می شود لایه مرده در آشکارسازهای نوع n کوچکتر از لایه مرده در آشکارسازهای نوع p باشد. ضخامت لایه مرده معمولی چند صد میکرومتر برای یک لایه انتشار Li و چند دهم میکرومتر برای یک لایه کاشت B است.
اشکال عمده آشکارسازهای ژرمانیوم این است که برای تولید داده های طیف سنجی، باید تا دمای نیتروژن مایع خنک شوند. در دماهای بالاتر، الکترون ها می توانند به راحتی از شکاف نواری در کریستال عبور کنند و به نوار رسانایی برسند، جایی که آزادانه به میدان الکتریکی پاسخ دهند و نویز الکتریکی زیادی تولید کنند که به عنوان طیف سنج، مفید باشد. خنک شدن تا دمای نیتروژن مایع (77K) تحریکات حرارتی الکترون‌های ظرفیت را کاهش می‌دهد، به طوری که فقط یک واکنش پرتو گاما می‌تواند انرژی لازم برای عبور از شکاف نواری و رسیدن به نوار رسانایی را برای الکترون تامین کند. خنک‌سازی با نیتروژن مایع خوشایند نیست، زیرا آشکارساز قبل از استفاده به ساعت‌ها زمان نیاز دارد تا به دمای عملیاتی برسد و نمی‌توان اجازه داد در حین استفاده گرم شود. کریستال های Ge(Li) هرگز نمی توانند گرم شوند، زیرا لیتیوم از کریستال خارج می شود و در روند کارآشکارساز اشکال ایجاد میکند. آشکارسازهای HPGe می توانند در صورت عدم استفاده تا دمای اتاق گرم شوند.
سیستم‌های تجاری در دسترس قرار گرفتند که از تکنیک‌های خنک سازی پیشرفته (مثلاً یخچال پالس تیوب ) برای رفع نیاز به خنک‌سازی نیتروژن مایع استفاده می‌کنند.
آشکارسازهای ژرمانیوم با الکترودهای چند نواری، عمود بر هم، بر روی وجوه متضاد، می‌توانند محل دوبعدی مسیر یونیزاسیون را در یک بلور بزرگ از Ge نشان دهند. آشکارسازهایی مانند این در مأموریت‌های نجومی COSI بالنی استفاده شده‌اند (NASA، 2016) و در رصدخانه مداری (NASA، 2025) طیف‌سنج و تصویرگر کامپتون (COSI) استفاده خواهند شد.
آشکارسازهای تلورید کادمیوم (CdTe) و تلورید کادمیوم روی (CZT) برای استفاده در طیف‌سنجی اشعه ایکس و طیف‌سنجی گاما استفاده میشوند . چگالی بالای این مواد به این معنی است که آنها می توانند به طور موثر انرژی پرتوهای ایکس و گاما را با انرژی بیش از 20 الکترون‌ولت که حسگرهای مبتنی بر سیلیکون سنتی قادر به تشخیص آن نیستند، کاهش دهند.همچنین، شکاف باند وسیع این مواد به این معنی است که آنها مقاومت ویژه بالایی دارند و برخلاف سنسورهای مبتنی بر ژرمانیوم می توانند در دمای اتاق یا نزدیک به آن (~295K) کار کنند. از این مواد آشکارساز می توان برای تولید حسگرهایی با ساختارهای الکترودی مختلف برای تصویربرداری و طیف سنجی با وضوح بالا استفاده کرد. با این حال، آشکارسازهای CZT به طور کلی قادر به رقابت و سنجش با وضوح آشکارسازهای ژرمانیوم نیستند، با برخی از این تفاوت ها که به انتقال ضعیف حامل بار مثبت به الکترود نسبت داده می شود. تلاش‌ها برای کاهش این اثر، شامل توسعه الکترودهای جدید برای رفع نیاز به جمع‌آوری هر دو قطب حامل‌ها بوده است.
تشخیص خودکار برای طیف‌سنجی گاما در نمونه‌های طبیعی به طور سنتی و قدیمی تر، گران هستند؛ زیرا آنالیزورها باید در برابر اشعه‌های پس‌زمینه محافظت شوند. با این حال، اخیراً یک نمونه‌برداری خودکار ارزان قیمت برای چنین تحلیل‌هایی معرفی شده و در حال پیشرفت هستند که می توان آن را با ابزارهای مختلف از سازندگان مختلف با استفاده از زبان برنامه نویسی AutoIt برای سیستم عامل ویندوز مایکروسافت استفاده کرد.