Halbleiterdetektor
Ein Halbleiterdetektor ist ein Strahlungs- oder Teilchendetektor, der sich spezielle elektrische Eigenschaften von Halbleitern zu Nutze macht. Ionisierende Strahlung, die einen Halbleiter trifft, erzeugt in diesem freie Ladungsträger durch den Fotoeffekt, welche dann als schnelles Signal ausgewertet werden können. Bei der Strukturierung von Halbleiterdetektorn macht man sich die Kombination unterschiedlich leitfähiger Gebiete (Dotierungen) zunutze. Halbleiterdetektoren werden wegen ihres hohen Energieauflösungsvermögens und - bei entsprechender Strukturierung - ihrer Ortssensitivität (positionsempfindliche Kernstrahlungsdetektoren) eingesetzt.
Halbleiterdetektoren werden in zahlreichen Forschungs- und Anwendungsgebieten eingesetzt, z.B. der Röntgenfluoreszenzanalyse und der Teilchenphysik. Ein Beispiel für letzeres ist der Semi Conductor Tracker (SCT) des ATLAS. Auch die lichtempfindlichen Sensoren in Digitalkameras gehören zu den Halbleiterdetektoren.
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Nachweis von Strahlung und Elementarteilchen mit Halbleiterdetektoren
Ob und wie viele Elektron-Loch-Paare von einfallender Strahlung generiert werden, hängt maßgeblich von der Bandlückenenergie ab. Je nach Art der ionisierenden Strahlung entstehen die im Detektor erzeugten Ladungswolken auf unterschiedliche Weise und mit unterschiedlicher Charakteristik. Geladene Elementarteilchen erzeugen entlang ihrer Bahn stets eine Ionisationsspur, während Photonen nur an einem Punkt wechselwirken.
Sichtbares und ultraviolettes Licht
Ist die Energie von Licht im sichtbaren bzw. nahen UV-Bereich ausreichend, um ein Elektron-Loch-Paar zu erzeugen, hebt ein einfallendes Photon ein Elektron vom Valenz- in das Leitungsband. Elektronen und Löcher bewegen sich dann zu den jeweiligen Bandlückenkanten hin, wobei Gitterschwingungen (Phononen) und niederenergetische Photonen entstehen. Das Photon wird nahe der Oberfläche erzeugt, d.h. typischerweise innerhalb eines Bruchteils eines Mikrometers.
VUV-, Röntgen- und Gammastrahlung
Hochenergetische Ultraviolettstrahlung nennt man Vakuum-UV (VUV), da ihre Reichweite unter Atmosphärendruck so gering ist, daß entsprechende Experimente im Vakuum durchgeführt werden müssen. Der VUV-Wellenlängen- und Energiebereich ist nicht scharf gegenüber kurzwelliger UV-Strahlung und weicher Röntgenstrahlung abgegrenzt. In der klassischen Optik liegt der VUV-Bereich bei Wellenlängen zwischen 300 und 100nm, die Energien also zwischen 4 und 12 eV. In den letzten Jahren wurde der Energiebereich von Freie-Elektronen-Lasern erheblich erweitert. Deshalb ist in diesem Anwendungsumfeld noch bei Energien bis 200 eV von VUV- oder extremem UV und nicht von Röntgenstrahlung die Rede.
Bei VUV-, Röntgen- und Gammastrahlung wird zunächst ein primäres Elektron vom Valenz- in das Leitungsband gehoben. Seine kinetische Energie ist sehr hoch, weshalb in Folge zahlreiche sekundären Elektronen und Phononen entstehen. Die Erzeugung von Sekundärteilchen ist ein statistischer Prozeß. Bei gleicher Anfangsenergie entsteht deshalb nicht stets die gleiche Zahl von Ladungsträgern. Die Reichweite der Sekundärteilchen ist relativ kurz. Verglichen mit den Ionisationsprozessen, die durch geladene Teilchen hervorgerufen werden, werden die Ladungträger in einem sehr kleinen Raumbereich generiert.
Wegen der sehr viel höheren Energie von Gammastrahlung (und damit verringerter Absorptionswahrscheinlichkeit) müssen für deren Nachweis möglichst dicke Detektoren und/oder Halbleiter mit hoher Kernladungszahl (z.B. Germanium oder GaAs) verwendet werden.
Alphastrahlung
Die Eindringtiefe von Alpha-Teilchen ist mit ca. 25µm relativ gering, da ihre Ionisationsfähigkeit sehr hoch ist. Nach der Bethe-Bloch-Formel hängt der Ionisationsverlust geladener Teilchen von Z/v² ab, nimmt also mit bei höherer Kernladungszahl Z und kleinerer Geschwindigkeit v zu. Die Dichte der Elektron-Loch-Paare nimmt deshalb mit der Tiefe zu, denn beim Eindringen nimmt die Geschwindigkeit des Alpha-Teilchens ab. Sie hat ein deutliches Maximum am Endpunkt (Bragg-Kurve).
Betastrahlung
Elektronen haben im Vergleich zu Alphateilchen eine um Größenordnungen geringere Masse und eine halb so große elektrische Ladung. Ihre Ionisationsfähigkeit ist also sehr viel geringer. Relativistische (hochenergetische) Beta-Strahlung dringt deshalb deutlich tiefer in den Detektor ein oder durchdringt ihn vollständig und erzeugt entlang ihrer Bahn eine gleichmäßige Dichte von Elektron-Loch-Paaren. Ist ihre Energie größtenteils abgegeben, so entsteht - ähnlich wie bei Alphateilchen - eine höhere Ionisierung am Endpunkt ihrer Bahn.
Hochenergetische geladene Teilchen
Diese Teilchen (Pionen, Kaonen, usw.) durchdringen den Detektor mit annähernd konstanter Geschwindigkeit und erzeugen Elektron-Loch-Paare mit einer gleichmäßigen Dichte entlang ihrer Bahn. Diese Dichte ist annähernd unabhängig von der Energie der Teilchen und proportional zum Quadrat ihrer elektrischen Ladung.
Nichtrelativistische geladene Teilchen
Protonen und Kerne erzeugen eine Ionisationsdichte, die umgekehrt proportional zu ihrer Energie ist und proportional zum Quadrat ihrer Ladung.
Andere Arten von Teilchen
Neutronen oder sehr hochenergetische Protonen können ebenfalls in Halbleiterdetektoren Signale erzeugen, indem sie z.B. an einem Kern rückstoßen oder Elektron-Positron-Paare bilden, die wiederum Elektron-Loch-Paare erzeugen können. Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit dafür gering. Aus diesem Grund sind Halbleiterdetektoren zum Nachweis dieser Teilchen weniger geeignet.
Pin-Dioden
Die einfachste Struktur für Halbleiterdetektoren ist die in Sperrichtung betriebene pin-Diode (p-Kontakt - intrinsisch - n-Kontakt). An ihr lässt sich am einfachsten die Funktionsweise von Halbleiterdetektoren erklären. Eine pin-Diode besteht z. B. aus schwach n-leitendem Silizium-Grundmaterial, das auf der einen Seite mit einer stark p- auf der anderen Seite mit einer stark n-dotierten Implantation versehen ist (es ist genauso möglich, schwach p-dotierte Substrate zu verwenden, n-Material ist jedoch in höherer Reinheit erhältlich). Zur Kontaktierung sind beide Implantationen mit Metallisierungen (meist aus Aluminium versehen. Eine Sperrspannung am p-Kontakt erzeugt die Raumladungszone. Das verarmte n-Substrat verhält sich dann wie intrinsisches Silizium. In der Regel wählt man die Spannung so, daß der Wafer über seine gesamte Tiefe verarmt ist. Dadurch wird die Kapazität minimal und man erhält ein großes strahlungsempfindliches Volumen. Die Tiefe zd der Raumladungszone bei gegebener Sperrspannung Ubias ist durch folgende Gleichung gegeben.
Dabei ist 
die elektrische Feldkonstante,
εr die Dielektrizitätszahl und e die Elementarladung. Die Näherung auf der rechten Seite gilt für den Fall, dass die Akzeptorkonzentration NA in
der p-Dotierung sehr viel größer als die Donatorkonzentration ND in der n-Dotierung ist,
was auf typische Halbleiterdetektoren zutrifft. Die Donatorkonzentration ND des Substrats liegt typischerweise bei 1012cm − 3, die Wafer-Dicke beträgt 300 µm. Zur
vollständigen Verarmung von einer Seite benötigt man demnach -70 V.
Die von der Strahlung erzeugten Elektron-Loch-Paare werden vom elektrischen Feld getrennt. Die Elektronen driften zum positivsten Potential, die Löcher zum negativsten.
Die Kapazität von pin-Dioden und vielen anderen Halbleiterdetektoren hat eine vergleichbare funktionelle Abhängigkeit vom Volumen wie die Kapazität von Plattenkondensatoren. Sie hängt von der Fläche A und vom Plattenabstand d ab.
Die Fläche entspricht der aktiven Fläche des Detektors, und der Plattenabstand entspricht der Tiefe der Raumladungszone, bei vollständig verarmten Detektoren also der Chip-Dicke. Eine typische pin-Diode mit einer Fläche von 5 mm² und einer Dicke von 0.5 mm hat demnach eine Kapazität von 1 pF.
Die durch einfallende Strahlung meßbare Spannungsänderung beträgt 
, wobei Δq die Ladung der Elektronen bzw. Löcher ist und C die Detektorkapazität. Die Spannungsdifferenz ΔU sollte möglichst groß sein, damit das Signal-Rausch-Verhältnis groß ist. Die Kapazität C sollte deshalb sehr klein sein. Deshalb minimiert man bei konventionell aufgebauten Halbleiterdetektoren (z.B. Si(Li)s und pin-Dioden) entweder die sensitive Fläche oder erhöht die
sensitive Dicke, um das Rauschen klein zu halten. Andererseits ist aber häufig eine möglichst große Fläche erwünscht, und d sollte nicht zu groß sein, damit nicht eine extrem hohe Depletionsspannung angelegt werden muß.