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Le principe des semi-conducteurs

Les détecteurs à semi-conducteurs sont un type particulier de détecteurs à ionisation. Au lieu d'exciter ou de ioniser le milieu, une particule interagissant dans un semi-conducteur crée des paires d'électron-trous. Les porteurs libres ainsi générés dans le semi-conducteur vont migrer sous l'effet du champ électrique et induire un courant électrique mesurable.

Il suffit de quelques électron-volts pour en créer une paire (comparé à 30 eV pour une ionisation dans un gaz). Le signal mesuré dans les semi-conducteurs est donc intrinsèquement plus important, ce qui les rend très performants.

  • Avantages :
    • Très bonne résolution en énergie, incomparable à basse température avec les détecteurs HPGe (Germanium de haute pureté)
    • Détecteurs compacts (puisque solides)
    • Précision, bonne résolution spatiale (structuration en pixels et micro-bandes, utilisation des technologies issues de la micro-électronique)
  • Inconvénients :
    • Chers
    • Fragiles, donc susceptibles d'être dégradés par les radiations

Les principaux semi-conducteurs utilisés en détection de rayonnement ionisants sont :

  • Le Germanium et plus particulièrement le HPGe (High Purity Germanium), très performant en spectrométrie gamma mais devant être utilisé à des températures cryogéniques (77K)
  • Le Silicium, en général avec adjonction de lithium. Son pouvoir d'arrêt limité fait qu'il est plutôt utilisé en basse énergie
  • L'Arséniure de Gallium
  • Le Tellurure de Cadmium CdTe et le CdZnTe
  • L'Iodure de Mercure HgI2

La structure des détecteurs à jonction

De part la différence de concentration d'électrons et de trous dans les deux matériaux il y a une diffusion des trous vers la région n et une diffusion des électrons vers la région p. En se rappelant qu'initialement les zones n et p sont neutres, la recombinaison des électrons et trous va créer une accumulation de charges de chaque côté de la jonction, ce qui va donner naissance à un champ électrique, qui va s'opposer à la diffusion : on atteint un équilibre.

La région où le potentiel varie est connue sous le nom de "zone de déplétion" et a la particularité de ne pas avoir de charge en déplacement. Tout électron ou trou pénétrant dans cette zone sera immédiatement poussé au loin par le champ électrique. Une radiation ionisante qui pénètre dans cette zone va libérer des paires électron-trou. Ces charges libres vont se déplacer sous l'influence du champ électrique. Si on installe des contacts électriques de chaque côté de la jonction, on détectera un courant proportionnel à l'ionisation.

La largeur de la zone de déplétion est en général relativement petite et dépend de la concentration des impuretés n et p. On peut augmenter la largeur de cette zone en appliquant une tension électrique externe qui va permettre d'élever le champ électrique interne. On obtient alors une zone déplétée d'épaisseur voisine de 300 mm.

Sous l'influence du champ électrique de déplétion, les électrons crées par le passage d'une particule vont dériver du côté N, alors que les trous vont dériver du côté P, entraînant la formation d'un signal électrique.

Il faut que le semi-conducteur soit vide de charge pour avoir un bon rapport signal / bruit car il n'existe pas d'amplification interne comme dans le cas des chambres à fils, d'où l'utilisation de bandelettes de silicium.

Les doubles bandes de silicium

Le silicum à double face

Le signal électrique est collecté par des bandes conductrices parallèles reliées à une électronique de lecture. Avec ce système, on n'a cependant accès qu'a deux des trois coordonnées.

A partir de 1992, les détecteurs du LEP ont été équipés de détecteurs au silicium à double face de lecture (segmentation de la jonction n), permettant une mesure précise en 3D du passage des particules chargées.

Le tracking combiné

L'utilisation conjointe des détecteurs silicium (mesure à partir de 2 cm jusqu'à une dizaine de cm de la zone d'interaction) et des chambre à fils (mesure d'une dizaine de cm jusqu'à 2 m du point d'interaction) permet :

  • De mesurer la charge (rayon de courbure)
  • De mesurer précisément la quantité de mouvement
  • D'extrapoler les traces vers la zone d'interaction primaire et de reconstruire les vertex