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Beaucoup d’extraits de l’ancien cours de DEA CPM
de Sylvie Dagoret-Campagne (LPNHE maintenant au LAL)
DétecteursSemi-conducteurs
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Bandes en énergie dans un solide
Les électrons se répartissentdans des bandes en énergieselon la Loi de Fermi
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Liaisons électroniques dans un semi-conducteur
Atomes tétravalents: le Germanium et le Silicium
A température non nulle, formation de paires électron/trou par excitation thermique
1022 at/cm3
ni=1011/cm3 à 300 K
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Dopage d’un semi-conducteur
Ge Si unit
Z 32 14
A 72.6 28.1
Dens 5,32 2,33 g/cm2
Eg 0.7 1.1 eV
Ee/t2.96@77
3,62@300
eV°K
Dopage
1013 a 1016
pour1022 at / cm3
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Niveaux d’énergie dans un semi-conducteur dopé
Les atomes donneurs créent un niveau dans le Gap légèrement sous le bas de la bande de conduction : résultat l’électron du donneur est excité dans la bande de conduction
Les atomes accepteurs créent unniveau (vide) dans le Gap légèrementAu dessus de la bande de valence.Un électron de la bande de valenceva peupler ce niveau en laissant un trou dans la bande de valence.
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La jonction PN
Diffusion des porteurs majoritaires dans la zone opposéeCréation d’une charge d’espaceCréation d’un courant de conduction
En résolvant l’équation de Poisson:
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Jonction PN polarisée en mode inverse
Jonction PN+: objectifObtenir une zone de déplétion de qqs centaines de microns
Objectif : obtenir une large zone de déplétion
VT est remplace par VT+Vd augmente
Ex. V=300V, d=1mm
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Détecteur semi conducteurJonction PN polarisée en inverse
1. IonisationCréation de paires électrons / ions
2. Mouvement des électrons et des ionsDéplacement dans le champ électrique
3. Multiplication
4. Influence sur les électrodesCréation du signal
5. Electronique de lectureTraitement du signal
électrons / trous
( Multiplication dans les photodétecteurs APD et SiPM )
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Principales caractéristiques (1)
« Energy Gap »(séparation bande de valence et conduction)
« Energy to produce a pair e/h »Silicium Germanium
10-12 s
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Principales caractéristiques (2)du Silicium et Germanium intrinsèque
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Principales caractéristiques (2)
Forme du signal
- Déplacement des charges dans le champV = µ.E (électrons et trous)
Remarque : si la densité d’ionisation est élevée,considérer «l’effet plasma»
- Influence sur les électrodesAppliquer le Théorème de Ramo
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Utilisation en physique de hautes énergiesMesure de la position
Détecteurs de « Vertex » ou de « Traces »
Silicium de 300 µm
Particule au Minimum d’ionisation (mip) :
Dans une zone déplétée de 300 µm, un mip dépose une énergie : E=0.03cm x (1.6 MeV/(g/cm2))x(2.33g/cm3)=100 KeV
Sachant qu’il faut 3.6 eV pour libérer une paire électron-troudans le silicium, le nombre de paires crées est de :
100 KeV/ 3.6 eV= 25000 paires.(80 paires par micron pour un mip)
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Les détecteurs microstrips
Détecteur de Vertex Atlas
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Détecteur au Silicium dans AtlasSTC d’ATLASPlaquette 6cm x 6 cm768 micropistes de 20 µm de largeLecture tous les 80 µm Épaisseur 300 µm
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Les détecteurs à Pixels
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Les détecteurs à dérive
Structure PNP
•Qui produit un puit de potentiel
•Les électrons dérivent vers l’électrode de lecture en 100 ns à 100 s.
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Détecteurs au SiliciumUtilisation en physique nucléaire
Identification de noyauxPerte Energie / EnergieEnergie / Temps de vol
Forme d’impulsion
Mesures d’énergie(Grande dynamique)
Mesures de temps
Mesures de position(Segmentation en pistes)
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18
10cm
DSSD 128+128300μm
Si(Li)4.5mm
CsI(PD)4cm
ASICs16 channelsE and T
The ArrayCollaboration: IPNO,SPhN/Saclay,GANIL
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19
10cm
DSSD 128+128300μm
Si(Li)4.5mm
CsI(PD)4cm
ASICs16 channelsE and T
The ArrayCollaboration: IPNO,SPhN/Saclay,GANIL
8000
8500
9000
9500
10000
10500
11000
11500
12000
0 1 2 3 4 5 6 7 8
protons
deutonsα
Energy (MeV)
Tim
e of
flig
ht (a
.u.)
a)
Temps de Vol Energie
Perte d’énergieEnergie
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Détecteurs au GermaniumDétection de photons
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Détecteurs au GermaniumDétection de photons
ExcellenteRésolution en énergie
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Détecteurs au GermaniumDétection de photons
Coefficients d’atténuation dans le Germanium
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Détecteurs au GermaniumDétection de photons
Extrait du livre de Knoll
Détecteurde grand volume
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Détecteurs au GermaniumDétection de photons
Extrait du livre de Knoll
Détecteurde petit volume
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26
Détecteurs au GermaniumDétection de photons
Extrait du livre de Knoll
Détecteurde « volume moyen »
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Détecteurs au GermaniumDétection de photons
Détecteur planaire
Forme d’impulsion (en charge) pour différents points d’interaction
Extrait du livre de Knoll(Modèle simplifié)
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28
Détecteurs au GermaniumDétection de photons
Détecteur coaxial
Forme d’impulsion (en charge) pour différents points d’interaction
Extrait du livre de Knoll(Modèle simplifié)
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John Simpson , Nuclear Physics Group
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