• Tabloda görüldüğü gibi bu kristallerin bant aralığı 1 eV mertebesindedir. Eğer safsızlıklar mevcut değilse, aralık izin verilmeyen enerji durumları içermez.
Si Ge
Atom numarası 14 32
Atomik ağırlığı 28,09 72,60
Yoğunluk, g.cm‐3(300 K’de) 2,33 5,33
Dielektirk sabiti 12 16
Yasak enerji aralığı, eV (300 K’de) 1,115 0,665 Yasak enerji aralığı, eV (0 K’de) 1,165 0,746 Özden taşıyıcı yoğunluğu, cm‐3(300 K’de) 1,5.1010 2,4.1013 Özden direnç, ohm.cm (300 K’de) 2,3.105 47 Elektron moblitesi, cm2/V.s (300 K’de) 1350 3900 Elektron moblitesi, cm2/V.s (77 K’de) 2,1.104 3,6.104 Delik moblitesi, cm2/V.s (300 K’de) 480 1900 Delik moblitesi, cm2/V.s (77 K’de) 1,1.104 4,2.104 Elektron‐delik çifti başına enerji, eV (300
K’de)
3,62
Elektron‐delik çifti başına enerji, eV (77 K’de) 3,76 2,96
Fano Faktörü (77 K’de) 0,084 0,08
Tablo 1. Özden silisyum ve germanyumun özellikleri
• Bir elektron, en azından bant aralığınınkine eşit olan bir enerjinin ona verilmesiyle, valans bandından iletim bandına geçebilir. İletim bandındayken elektron, uygulanan dış elektrik alanın etkisinin altında hareket etmek için serbesttir ve bir elektrotta toplanabilir. Elektron uyarılmasından kaynaklanan valans bandındaki boşluk veya delik, elektronunkine zıt yönde elektron transfer mekanizmasıyla hareket eder. Elektronlar ve deliklerin hareketi için mekanizmalar farklı olduğundan, kristalin içinde hareket eden iki yükün hızı (yani mobiliteleri) farklı olacaktır. Tabloda gösterildiği gibi, bu dedektörlerin genellikle ortak olarak işletildiği sıcaklık olan 77 K’de bu fark Si için yaklaşık 2 katı, fakat Ge için yalnızca %15’dir. Hem elektron hem de delik yükleri puls şeklinde toplandığından, puls şekli (zamanın fonksiyonu olarak voltaj) farklı mobiliteleri yansıtacaktır.
• Bir foton kristalle etkileştiğinde, bağlı elektronlar etkileşmeden çıkan birincil elektronlarla iletim bandına uyarılır. Bu elektronlar, eğer yeterince enerjik ise, ilave ikincil elektronlar oluşturabilir. Bu ardışık işlemler boyunca birincil elektron enerjisi, aygıtın elektrotlarında toplanmak için serbest olan birçok elektron-delik çifti üretiminde tüketilir. Bu yükü toplamak için yaklaşık 1000 V/cm’lik bir elektrik alan gereklidir.
• Her bir dedektör için farklı bir besleme voltajı olabilir. Bu voltaj, bir voltaj düşmesi ihtimaliyetini minimize etmede yeterince küçük, iyi bir yük toplaması ve dolayısıyla iyi bir pik şekillenimi sağlamak için yeterince büyük seçilir.
• Pratikte yarıiletken kristal kusursuz veya safsızlıklardan yoksun olmadığından bir foton dedektörü olarak onun işlemesi daha karışıktır. Bor, alüminyum, galyum veya indiyum gibi üç değerlikli elektronlarla safsızlığın bir etkisi, kristal yapının içine serbest deliklerin girmesidir. Bunlar elektronları alabildiğinden akseptör (alıcı) safsızlıkları olarak adlandırılır. Benzer şekilde, fosfor, arsenik, antimon gibi beş değerlikli elektronlarla safsızlıklar serbest elektronları yapıya sokar.
Bunlar, elektronlar verebildiğinden donor (verici) safsızlığı olarak adlandırılır.
• Böyle bir kristale uygulanan elektrik alanı, bu deliklerin veya elektronların varlığına dayanan bir elektrik akımıyla sonuçlanır. Bu akımdaki istatistiksel değişmeler, foton etkileşmeleri için pulsların dedekte edilebildiği seviyenin altında bir gürültü seviyesi tanımlar.
• Yarıiletken dedektörlerin ilk zamanlarındaki materyalleri için, akseptör safsızlıklarının varlığından olan gürültü seviyesi herhangi bir fotondan ileri gelen pulsları tamamen maskeleyebilirdi. Kabul edilebilir bir seviyeye bu kararlı durum akımını indirgemek için kristalin içinde serbest yük taşıyıcılarından yoksun bir intirinsik bölge oluşturmak gerekliydi. Bu germanyum materyaline lityum iyonlarının sürüklenmesiyle yapıldı.
• Lityum p-tipi kristalin üst yüzeyine bırakıldı ve onun hacminin büyük bir kısmına doğru sürüklendi. Bir arayer donor safsızlığı olan lityum, bir intirinsik bölge oluşturmayla akseptör safsızlıklarını dengeleyecektir. Bu lityum sürüklenmiş germanyum veya Ge(Li) dedektörü olarak adlandırılır. Bu tipin bir düzlem dedektörünün yapısı aşağıdaki Şekil a’da gösterilmektedir.
• Üst yüzeydeki fazla lityum, bir elektrik kontağı gibi görev yapan oldukça katkılanmış n+ tabaka ile sonuçlanır ve karşı yüzeyde dengelenmemiş (kompanse olmamış) ince bir tabaka kalır. Böyle bir dedektörde lityum önemli ölçüde oda sıcaklığında sürüklenmeye devam edecektir. Bundan dolayı dedektör, nakliye sırasında dâhil, daima soğuk (genellikle sıvı azot sıcaklığı) saklanmalıdır.
• Yeterince saf germanyum materyali için arzulanan intirinsik bölge, bir diyot yapısı oluşturulmasıyla dengelenmeksizin direk olarak ta yapılabilir. Bu yapı p-tipi germanyumun bir yüzeyine lityum buharlaştırılmasıyla elde edilir ve kısa bir mesafe ve zaman periyodu için germanyumun içine difüz edilmesine izin verilir. Bu n+-p kavşağına uygulanan bir ters besleme, bir intirinsik bölge oluşturmak için her iki yüzeydeki kavşaktan çoğunluk taşıyıcılarını iter. Serbest taşıyıcıların gerileme işlemi, yüklü atomlar tarafından indüklenen elektrostatik alanın uygulanan dış elektrik potansiyelden kaynaklanan alanı dengeleyene kadar kavşağın her iki tarafında da devam eder. Deplasyon bölgesinin kalınlığı uygulanan alan ve materyaldeki safsızlık konsantrasyonuyla ilgilidir. Yukarıdaki şekil b’de gösterilen bu dedektör, intirinsik (özden) veya yüksek-saflıkta Ge (HPGe) dedektörü olarak adlandırılır. Ge(Li)
• Lityum sürüklenmiş Ge dedektörleri cm3 başına 1012 mertebesinde safsızlık atomlu materyallerden yapılır. Fakat bu materyal yüksek-saflıkta Ge dedektörleri yapmak için yeterince saf değildir. Yüksek-saflıkta Ge dedektörleri, akseptör yerlerinin sayısı eksi donor yerlerinin sayısı 109 cm-3 mertebesinde olan materyal gerektirir.
• Foton etkileşmeleriyle iletim bandına uyarılan elektronlara ilave olarak, burada termal olarak uyarılan elektronlarda vardır. Uyarmanın bu modu istatistiksel gürültü backgroundu (temel sayma) üretir. Bu gürültüyü azaltmak için yarıiletken foton dedektörleri düşük sıcaklıklarda çalıştırılmalıdır.
• Makul bir işlemin mümkün olduğu en yüksek sıcaklık, kristal safsızlıklarının ve kusurlarının çokluğu ve tipine bağlıdır. Her ne kadar kabul edilebilir işlem oldukça büyük bir sıcaklık aralığında başarılabilse de, pratik işlem sıcaklığı sıvı
• Germanyum ve silisyum yarıiletken dedektörleri değişik şekillerde ve belirli boyutlarda başarılı şekilde üretilmektedir. Dedektör boyutları ve onların şekilleri, ilk olarak saf germanyum veya silisyumun uygun bloklarının veya külçelerinin maksimum boyutlarıyla, ikinci olarak ta üretim işleminde oluşan intirinsik bölge derinliğiyle belirlendi. Bundan dolayı farklı dedektör şekilleri, farklı yarıiletken materyaller ve üretim teknikleri geliştiği için mümkün oldu.