2.4 Festkörperdetektoren

172 2 Strahlungsdetektoren
"Ge(Li)s" oder "Si(Li)s" bezeichnet. Zu ihrer Erzeugung (Dotierung) werden unter Spannung und
bei höheren Temperaturen Lithiumionen in das Halbleitermaterial eindiffundiert ("gedriftet"). Diese
kompensieren die im Halbleitermaterial durch vorhandene Verunreinigungen erzeugten Ladungs-
träger so wirksam, daß raumladungsfreie Meßvolumina von bis zu 100 cm 3 entstehen können. Ge-
driftete Halbleiter besitzen wie alle anderen Halbleiterdioden eine p-i-n-Zonenfolge. Die Dicke der
i-Schicht reicht bei planaren Germaniumdetektoren bis zu etwa 25 mm, bei koaxialen Bauformen
erreicht man durch den Strahleneintritt von der Stirnseite her sogar Strahlwege in der Intrinsic-Zone
von 50 mm und mehr. Da der Driftvorgang bei höheren Temperaturen durch Wärmebewegung par-
tiell rückgängig gemacht wird, müssen lithiumgedriftete Halbleiterdetektoren während ihrer gesam-
ten Lebensdauer bei tiefen Temperaturen, z. B. der Temperatur flüssigen Stickstoffs, aufbewahrt
werden. Sie sind deshalb meistens direkt mit einem Tank für flüssige Luft verbunden.
Moderne Halbleiterfertigungstechniken haben auch die Produktion von ultrareinen Germanium-
oder Silizium-Detektoren ermöglicht, bei denen ohne zusätzliche Dotierungen nahezu ladungsträ-
gerfreie intrinsische Zonen erzeugt werden können. Solche Reinstkristalldetektoren benötigen für
den Erhalt ihrer Funktionsfähigkeit keine Kühlung. Allerdings werden auch sie wie die lithiumge-
drifteten Detektoren bei niedrigen Temperaturen betrieben, um die thermisch bedingte Eigenleitung
der Detektoren, das sogenannte thermische Rauschen, klein zu halten. Reinkristalldetektoren haben
intrinsische Dicken von bis zu 1 cm und Meßvolumina von ebenfalls bis zu 100 cm 3 .
In den wichtigsten Halbleitermaterialien Germanium und Silizium beträgt der Energieaufwand zur
Erzeugung eines Ionenpaares nur 2.8 eV bzw. 3.8 eV, in Luft werden etwa 34 eV benötigt. Die
Dichte reinen Germaniummetalls beträgt ρ = 5.33 g/cm 3 , die für Silizium ρ = 2.33 g/cm 3 . Die Dich-
ten sind also mehr als etwa 4000 bzw. knapp 2000 mal so groß wie die Dichte von Gasen bei Nor-
malbedingungen (ρ = 0.0013 g/cm 3 für Luft). Zusammen mit dem um den Faktor 10 geringeren Io-
nisierungsenergieaufwand bei Halbleitern ergibt sich ein Empfindlichkeitsgewinn von mehr als
1:40000 für Germanium bzw. 1:20000 für Silizium im Vergleich zu gleich großen, mit Normal-
druck gasgefüllten Ionisationskammern. Halbleiterdetektoren zählen also zu den besonders effekti-
ven und daher energetisch gut auflösenden Detektoren und können sehr kompakt gebaut werden.
Für nicht zu hochenergetische geladene Teilchen sind die Ansprechwahrscheinlichkeiten wegen der
geringen Reichweiten geladener Teilchen in den dichten Materialien von Halbleiterdetektoren na-
hezu 100%, vorausgesetzt, das Eintrittsfenster ist hinreichend dünn. Die Ansprechwahrscheinlich-
keit solcher Detektoren für hochenergetische Photonenstrahlung (1 MeV) beträgt bei typischen De-
tektorabmessungen dagegen nur 10% bis 20%, ist also deutlich geringer als beim Szintillationszäh-