1) Propriétés des semi-conducteurs



Les éléctrons dans un matériau (isolant,semi-conducteur,métaux) peuvent se situer sur deux bandes d'énergie (niveaux d'énergie):

-La bande de valence : à l'intérieur de laquelle il y a les électrons responsables des liaisons covalentes , ils ne sont pas responsables de la conduction,dans les isolants tout les électrons se situent dans la bande de valence.
-La bande de conduction: où se trouvent les éléctrons périphériques libres de se déplacer, ce qui permet la conduction.



Entre ces deux bandes il y a un gap (barrière) énergétique appelé bande interdite de valeur Eg , où il ne peut y avoir d'électrons . Pour qu'un électron de la bande de valence atteigne la bande de conduction il doit franchir cette barrière via un apport énergétique.
Remarque: pour les métaux il n'y a pas de bande interdite : la bande de conduction et la bande de valence se chevauchent donc Eg=0, pour les isolants Eg est important. . Dans les semi-conducteurs Eg est suffisamment faible pour qu'un électron de la bande de valence puisse passer dans la bande de conduction via un apport énergétique et ainsi permettre l'établissement d'un courant électrique : c'est pour cela que l'on utilise des semi-conducteurs ,car le rayonnement gamma issu de l'élement radioactif que l'on veut étudier va intéragir avec le semi-conducteur en lui cédant l'énergie nécessaire pour qu'il migre vers la bande de conduction.

Les semi-conducteurs intrinsèques , de type N et P Dans un cristal semi-conducteur la conductivité est égale à :

U=q(N*µn+P*µp)


q la charge d'un électron, P et N représentent la densité des trous positifs (deficit d'électron) et des électrons . µn et µp leurs mobilité respective en m²/V*s.
Donc la conductivité est proportionnelle à la densité des trous et des électrons dans le cristal,ce qui permet de l'augmenter afin d'abaisser au maximun Eg. Il faut introduire des impuretés : ce procédé est appelé dopage. Le dopage consiste à introduire au sein du cristal monoatomique (germanium,silicium) des atomes possédant soit un excés d'électrons correspondant à un dopage de type N, soit un excés de charge positive pour les dopages de type P. Ce dopage fait apparaître deux nouvelles bandes d'énergie(niveau donneur de type N, niveau accepteur de type P) qui ont pour effet d'abaisser Eg diminuant le seuil énergetique à l'etablissement d'un courant. Les semi-conducteurs intrinsèques sont purs et non dopés: tous les électrons de la bande de conduction proviennent de la bande de valence.

2) Fonctionnement du détecteur


On s'intéresse ici au détecteur à germanium

-Structure du détecteur: Il est constitué d'un cristal de germanium , d'une structure en plomb permettant d'atténuer le bruit extérieur (rayonnement cosmique..), d'une structure en cuivre (cage de faraday) et d'un cryostat permettant de baisser la température du cristal et donc son agitation thermique, ce qui limite le bruit et stabilise le cristal.



-Principe de fonctionement : Un photon issu de l'élément radioactif intéragit avec le cristal de germanium par effet photo-électrique ,compton ou par création de paire ce qui aura pour effet de céder de l'énergie aux électrons du cristal. Ils peuvent ainsi passer le gap énergétique et être accéllerer par une haute tension, ce qui fourni un courant dont la quantité de charge obtenue est proportionelle à l'énergie déposée dans le cristal par le rayonnement.