Département physiquea) Matériaux semi-conducteurs:
Ce sont des matériaux dont la conductivité électrique est intermédiaire entre celles des métaux et celles des isolants, leurs propriétés varient en fonction de la température et éventuellement la présence d’impuretés (dopage).
Ce sont des isolants dont l'énergie minimum qui doit être apportée au cristal pour qu'un électron de la bande valence soit libéré dans la bande de conduction est faible (de l'ordre d’Eg=1 eV).
Il y a deux types des semi-conducteurs: intrinsèque et extrinsèque. On dit intrinsèque lorsqu’il est pur, c'est à dire qu'il ne comporte aucune impureté donc son comportement électronique ne dépend que de la structure du matériau.
C'est un isolant à T≈0K, à T>0, sous l'agitation thermique, des liaisons covalentes sont rompues libérant des électrons qui peuvent se déplacer dans le cristal. Les états vacants qui apparaissent en haut de la bande de valence sont assimilés à des particules des charges positives, les trous.
Et un semi-conducteur extrinsèque est en fait dopé par des impuretés spécifiques qui vont lui conférer des propriétés adaptés aux applications électroniques (diodes, transistors, etc…).
Voici quelques exemples de semi-conducteurs :
- -le silicium Si (Eg=1.12 eV), c'est le plus utilisé commercialement
- -le germanium Ge (Eg=0.67 eV)
- -l’arséniure de gallium As Ga (Eg=1.43 eV)
b) Fonctionnement du détecteur:
Pour mesurer ces différents rayonnements nous utilisons des détecteurs composés de cristaux semi-conducteurs. Leur but est de capter le rayonnement émis par une particule puis de le convertir en énergie électrique. En fait, pour ce faire le passage d'une particule chargée provoque la création d'une paire électron-trou tout du long de sa trajectoire. La quantité de charge crées est proportionnelle à l'énergie déposée dans le détecteur qui est peu différente de l'énergie perdue par la particule. Les charges collectées forment un signal électrique, et l'intégrale de notre courant mesuré est proportionnelle à l'énergie déposée par la particule incidente. Un pré amplificateur permet la mesure de cette intégrale.
Ainsi on obtient la correspondance entre la valeur du signal électrique intégré et l'énergie déposée par la particule. On mesure bien pour chaque particule incidente une valeur correspondant à son énergie. Si cette mesure du rayonnement incident dure pendant un certain temps donné, on peut compter le nombre de particules ayant frappés le cristal, on parle alors de nombre de ''coups'', et les classer par énergie.
On obtient donc au final le nombre de coups par niveau d'énergie. On observera donc des pics à des énergies bien précises, correspondants aux énergies des particules incidentes. Comme les éléments radioactifs émettent des rayonnements avec des énergies bien précises, ainsi on retrouve quel élément est la source des rayonnements mesurés.
Les caractéristiques importantes d'un détecteur sont la surface du cristal, son épaisseur et sa nature. Pour minimiser le bruit thermique, et empêcher la détérioration (pour garder les propriétés intrinsèques du cristal), on met le détecteur en contact de l'azote liquide