ในฟิสิกส์การตรวจจับรังสีไอออนไนซ์เครื่องตรวจจับเซมิคอนดักเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์ (โดยทั่วไปคือซิลิคอนหรือเจอร์มาเนียม ) ในการวัดผลกระทบของอนุภาคประจุหรือโฟตอนที่ตกกระทบ

เครื่องตรวจจับเซมิคอนดักเตอร์มีการใช้งานอย่างกว้างขวางในด้านการป้องกันรังสีการ วิเคราะห์สเปกตรัม แกมมาและเอ็กซ์เรย์และเป็นเครื่อง ตรวจจับอนุภาค

ในเครื่องตรวจจับเซมิคอนดักเตอร์ รังสีไอออนไนซ์จะถูกวัดโดยจำนวนตัวนำประจุที่ถูกปลดปล่อยในวัสดุเครื่องตรวจจับซึ่งจัดเรียงอยู่ระหว่างอิเล็กโทรด สองตัว โดยรังสี รังสีไอออนไนซ์สร้างอิเล็กตรอน อิสระ และอิเล็กตรอนโฮลจำนวนคู่ของอิเล็กตรอน-โฮลเป็นสัดส่วนกับพลังงานของรังสีที่ตกกระทบเซมิคอนดักเตอร์ ผลที่ได้คือ อิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งถูกถ่ายโอนจากแถบวาเลนซ์ไปยังแถบนำไฟฟ้าและโฮลจำนวนเท่ากันถูกสร้างขึ้นในแถบวาเลนซ์ ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าอิเล็กตรอนและโฮลจะเคลื่อนที่ไปยังอิเล็กโทรด ซึ่งส่งผลให้เกิดพัลส์ที่สามารถวัดได้ในวงจร ภายนอก ตามที่อธิบายไว้ในทฤษฎีบท Shockley-Ramoโฮลจะเคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้ามและสามารถวัดได้เช่นกัน เนื่องจากทราบปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการสร้างคู่ของอิเล็กตรอน-โฮล และไม่ขึ้นอยู่กับพลังงานของรังสีที่ตกกระทบ การวัดจำนวนคู่ของอิเล็กตรอน-โฮลจึงช่วยให้สามารถกำหนดพลังงานของรังสีที่ตกกระทบได้^{[ 1 ]}

พลังงานที่จำเป็นในการสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลนั้นต่ำมากเมื่อเทียบกับพลังงานที่จำเป็นในการสร้างไอออนคู่ในเครื่องตรวจจับก๊าซ ดังนั้น ในเครื่องตรวจจับเซมิคอนดักเตอร์ความแปรผันทางสถิติของความสูงของพัลส์จึงน้อยลง และความละเอียดของพลังงานก็สูงขึ้น เนื่องจากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เร็ว ความละเอียดของเวลาจึงดีมากเช่นกัน และขึ้นอยู่กับเวลาเพิ่มขึ้น [ ^{2 ] เมื่อ}เปรียบเทียบกับเครื่องตรวจจับไอออนไนเซชันของก๊าซความหนาแน่นของเครื่องตรวจจับเซมิคอนดักเตอร์นั้นสูงมาก และอนุภาคประจุที่มีพลังงานสูงสามารถปลดปล่อยพลังงานออกมาในเซมิคอนดักเตอร์ที่มีขนาดค่อนข้างเล็กได้

โดยหลักการแล้ว เครื่องตรวจ จับอนุภาคซิลิคอนส่วนใหญ่ทำงานโดยการเติมสาร เจือลงใน แถบซิลิคอนแคบๆ (โดยทั่วไปกว้างประมาณ 100 ไมโครเมตร) เพื่อเปลี่ยนให้เป็นไดโอดจากนั้นจึงทำการไบแอสย้อนกลับเมื่ออนุภาคที่มีประจุผ่านแถบเหล่านี้ จะทำให้เกิดกระแสไอออนไนเซชันขนาดเล็กที่สามารถตรวจจับและวัดได้^{[ 4 ]}การจัดเรียงเครื่องตรวจจับเหล่านี้หลายพันตัวรอบจุดชนกันในเครื่องเร่งอนุภาคสามารถสร้างภาพที่แม่นยำของเส้นทางที่อนุภาคเคลื่อนที่ได้ เครื่องตรวจจับซิลิคอนมีความละเอียดสูงกว่ามากในการติดตามอนุภาคที่มีประจุเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีเก่าๆ เช่นห้องเมฆหรือห้องลวดข้อเสียคือเครื่องตรวจจับซิลิคอนมีราคาแพงกว่าเทคโนโลยีเก่าๆ เหล่านี้มาก และต้องใช้ระบบระบายความร้อนที่ซับซ้อนเพื่อลดกระแสรั่วไหล (แหล่งกำเนิดเสียงรบกวน) นอกจากนี้ยังเสื่อมสภาพไปตามกาลเวลาเนื่องจากรังสีอย่างไรก็ตาม สามารถลดลงได้อย่างมากด้วยผลของลาซารัส

เครื่องตรวจ จับเพชรมีลักษณะคล้ายคลึงกับเครื่องตรวจจับซิลิคอนหลายประการ แต่มีข้อดีที่สำคัญ เช่น การไม่ไวต่อแสงอาทิตย์ การทำงานที่อุณหภูมิสูง การตอบสนองที่รวดเร็ว และความทนทานต่อรังสี นอกจากนี้ยังเหมาะสำหรับการตรวจจับนิวตรอน และเป็นหนึ่งในตัวเลือกที่กำลังได้รับการสำรวจเพื่อใช้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงซึ่งวิธีการตรวจจับอื่นๆ ไม่สามารถทำได้ การพัฒนานี้ได้รับแรงผลักดันจากความต้องการการตรวจสอบดังกล่าวในภาชนะบรรจุเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจากอุบัติเหตุที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟุกุชิมะ^{[ 5 ]}มีการปรับปรุงเพิ่มเติมเกี่ยวกับความทนทานต่อรังสีด้วยการพัฒนาโครงสร้างสามมิติสำหรับอุปกรณ์เหล่านี้^{[ 6 ]}เครื่องตรวจจับเซมิคอนดักเตอร์เพชรยังถูกนำไปใช้ในการวิจัยด้านนิวเคลียร์ฟิวชั่นฟิสิกส์พลังงานสูงและฟิสิกส์การแพทย์อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน ยังไม่มีการใช้งานอย่างแพร่หลายเท่ากับเครื่องตรวจจับซิลิคอนและเจอร์มาเนียมเนื่องจากต้นทุนและความท้าทายในกระบวนการผลิต

เครื่องตรวจจับ เจอร์มาเนียมส่วนใหญ่ใช้สำหรับการวิเคราะห์สเปกตรัมแกมมาในฟิสิกส์นิวเคลียร์เช่นเดียวกับการวิเคราะห์สเปกตรัมรังสีเอกซ์ในขณะที่เครื่องตรวจจับซิลิคอนมีความหนาได้ไม่เกินไม่กี่มิลลิเมตร แต่เจอร์มาเนียมสามารถมีชั้นที่ไวต่อการตรวจจับ ( บริเวณพร่อง ) ที่มีความหนาเป็นเซนติเมตรได้ ดังนั้นจึงสามารถใช้เป็นเครื่องตรวจจับการดูดซับทั้งหมดสำหรับรังสีแกมมาได้ถึงไม่กี่ MeV เครื่องตรวจจับเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าเครื่องตรวจจับเจอร์มาเนียมบริสุทธิ์สูง (HPGe) หรือเครื่องตรวจจับเจอร์มาเนียมบริสุทธิ์พิเศษ^{[ 4 ]}ก่อนที่เทคนิคการทำให้บริสุทธิ์ในปัจจุบันจะได้รับการปรับปรุงผลึก เจอร์มาเนียม ไม่สามารถผลิตได้ด้วยความบริสุทธิ์เพียงพอที่จะใช้เป็นเครื่องตรวจจับสเปกตรัมได้ สิ่งเจือปนในผลึกจะดักจับอิเล็กตรอนและโฮล ทำให้ประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับลดลง ดังนั้น ผลึกเจอร์มาเนียมจึงถูกเจือด้วย ไอออน ลิเธียม (Ge(Li)) เพื่อสร้าง บริเวณ ภายในที่อิเล็กตรอนและโฮลจะสามารถเข้าถึงหน้าสัมผัสและสร้างสัญญาณได้

เมื่อมีการพัฒนาเครื่องตรวจจับเจอร์มาเนียมขึ้นครั้งแรก มีเพียงผลึกขนาดเล็กมากเท่านั้นที่สามารถนำมาใช้ได้ ส่งผลให้ประสิทธิภาพต่ำ และประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับเจอร์มาเนียมมักถูกอ้างอิงในเชิงเปรียบเทียบกับ เครื่องตรวจจับการเรืองแสง NaI (Tl) ขนาด "มาตรฐาน" 3 นิ้ว x 3 นิ้ว อย่างไรก็ตาม เทคนิคการปลูกผลึกได้รับการพัฒนาขึ้นในภายหลัง ทำให้สามารถผลิตเครื่องตรวจจับที่มีขนาดใหญ่เท่าหรือใหญ่กว่าผลึก NaI ที่หาได้ทั่วไปได้ แม้ว่าเครื่องตรวจจับดังกล่าวจะมีราคาสูงกว่า 100,000 ยูโร (113,000 ดอลลาร์สหรัฐ) ก็ตาม

ในปี 2012 เครื่องตรวจจับ HPGe มักใช้การแพร่ของลิเธียมเพื่อสร้างหน้าสัมผัสโอห์มิกn ⁺ และการฝังโบรอนเพื่อสร้างหน้าสัมผัสp ^{+ เครื่องตรวจจับแบบโคแอกเซียลที่มีหน้าสัมผัส n +} ตรงกลาง เรียกว่าเครื่องตรวจจับชนิด n ในขณะที่เครื่องตรวจจับชนิด p มีหน้าสัมผัส ap ⁺ตรงกลาง ความหนาของหน้าสัมผัสเหล่านี้แสดงถึงชั้นที่ไม่มีการทำงานรอบพื้นผิวของผลึก ซึ่งการสะสมพลังงานจะไม่ส่งผลให้เกิดสัญญาณตรวจจับ หน้าสัมผัสตรงกลางในเครื่องตรวจจับเหล่านี้อยู่ตรงข้ามกับหน้าสัมผัสที่พื้นผิว ทำให้ชั้นที่ไม่มีการทำงานในเครื่องตรวจจับชนิด n มีขนาดเล็กกว่าชั้นที่ไม่มีการทำงานในเครื่องตรวจจับชนิด p ความหนาของชั้นที่ไม่มีการทำงานโดยทั่วไปคือหลายร้อยไมโครเมตรสำหรับชั้นการแพร่ของลิเธียม และไม่กี่ส่วนสิบของไมโครเมตรสำหรับชั้นการฝังโบรอน

ข้อเสียเปรียบที่สำคัญของตัวตรวจจับเจอร์มาเนียมคือต้องทำให้เย็นลงจนถึง อุณหภูมิ ของไนโตรเจนเหลวเพื่อให้ได้ข้อมูลสเปกโทรสโกปี ที่อุณหภูมิสูงขึ้น อิเล็กตรอนสามารถข้ามช่องว่างแถบพลังงานในผลึกและไปถึงแถบนำไฟฟ้าได้ง่าย ซึ่งอิเล็กตรอนสามารถตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าได้อย่างอิสระ ทำให้เกิดสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้ามากเกินไปจนไม่สามารถใช้งานได้ในฐานะสเปกโทรเมตร การทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิของไนโตรเจนเหลว (77K) จะลดการกระตุ้นทางความร้อนของอิเล็กตรอนวาเลนซ์ ดังนั้นเฉพาะปฏิกิริยากับรังสีแกมมาเท่านั้นที่จะให้พลังงานแก่อิเล็กตรอนที่จำเป็นในการข้ามช่องว่างแถบพลังงานและไปถึงแถบนำไฟฟ้าได้^{[ 4 ]}การทำให้เย็นลงด้วยไนโตรเจนเหลวนั้นไม่สะดวก เนื่องจากตัวตรวจจับต้องใช้เวลาหลายชั่วโมงในการเย็นลงจนถึงอุณหภูมิใช้งานก่อนที่จะสามารถใช้งานได้ และไม่สามารถปล่อยให้ร้อนขึ้นระหว่างการใช้งานได้ ผลึก Ge(Li) ไม่สามารถปล่อยให้ร้อนขึ้นได้เลย เนื่องจากลิเธียมจะเคลื่อนตัวออกจากผลึก ทำให้ตัวตรวจจับเสียหาย ตัวตรวจจับ HPGe สามารถปล่อยให้ร้อนขึ้นจนถึงอุณหภูมิห้องได้เมื่อไม่ได้ใช้งาน

ปัจจุบันมีระบบเชิงพาณิชย์ที่ใช้เทคนิคการทำความเย็นขั้นสูง (เช่นตู้เย็นแบบท่อพัลส์ ) ซึ่งช่วยขจัดความจำเป็นในการใช้ไนโตรเจนเหลวในการทำความเย็น

เครื่องตรวจจับเจอร์มาเนียมที่มีอิเล็กโทรดแบบหลายแถบตั้งฉากกันบนหน้าตรงข้าม สามารถระบุตำแหน่งสองมิติของร่องรอยการแตกตัวเป็นไอออนภายในผลึกเจอร์มาเนียมเดี่ยวขนาดใหญ่ได้ เครื่องตรวจจับลักษณะนี้ถูกนำไปใช้ในภารกิจดาราศาสตร์ที่ติดตั้งบนบอลลูน COSI (NASA, 2016) และจะถูกนำไปใช้ในเครื่องสเปกโทรเมตรและเครื่องถ่ายภาพคอมป์ตัน (COSI) ของหอดูดาวโคจร (NASA, 2025)

เนื่องจากเครื่องตรวจจับเจอร์มาเนียมมีประสิทธิภาพสูงในการตรวจจับโฟตอน^{[ 7 ]}จึงสามารถนำไปใช้งานเพิ่มเติมได้หลากหลาย เครื่องตรวจจับเจอร์มาเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงถูกใช้โดยหน่วยงานความมั่นคงแห่งมาตุภูมิเพื่อแยกแยะระหว่างวัสดุกัมมันตรังสีที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ (NORM) กับวัสดุกัมมันตรังสีที่เป็นอาวุธหรือเป็นอันตรายอื่นๆ^{[ 8 ] [ 9 ]}นอกจากนี้ยังใช้ในการตรวจสอบสิ่งแวดล้อมเนื่องจากความกังวลเกี่ยวกับการใช้พลังงานนิวเคลียร์^{[ 10 ]}สุดท้าย เครื่องตรวจจับเจอร์มาเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงถูกใช้สำหรับการถ่ายภาพทางการแพทย์และการวิจัยฟิสิกส์นิวเคลียร์ ทำให้เป็นเครื่องตรวจจับที่มีความหลากหลายในการใช้งาน^{[ 11 ]}

เครื่องตรวจจับ แคดเมียมเทลลูไรด์ (CdTe) และแคดเมียมซิงค์เทลลูไรด์ (CZT) ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อใช้ในสเปกโทรสโกปีรังสี เอกซ์ และสเปกโทรสโกปีรังสีแกมมา ความหนาแน่นสูงของวัสดุเหล่านี้หมายความว่าพวกมันสามารถลดทอนรังสีเอกซ์และรังสีแกมมาที่มีพลังงานมากกว่า 20 keV ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่ง เซ็นเซอร์ที่ใช้ ซิลิคอน แบบดั้งเดิม ไม่สามารถตรวจจับได้ช่องว่างแถบ กว้าง ของวัสดุเหล่านี้ยังหมายความว่าพวกมันมีความต้านทาน สูง และสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิห้องหรือใกล้เคียงกับอุณหภูมิห้อง (~295K) ซึ่งแตกต่างจากเซ็นเซอร์ที่ใช้เจอร์มาเนียม^{[ 4 ]}วัสดุตรวจจับเหล่านี้สามารถใช้ในการผลิตเซ็นเซอร์ที่มีโครงสร้างอิเล็กโทรดที่แตกต่างกันสำหรับการถ่ายภาพ และ สเปกโทรสโกปีความละเอียดสูงอย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้วเครื่องตรวจจับ CZT ไม่สามารถเทียบเท่าความละเอียดของเครื่องตรวจจับเจอร์มาเนียมได้ โดยความแตกต่างบางส่วนนี้เกิดจากการขนส่งตัวนำประจุบวกไปยังอิเล็กโทรดที่ไม่ดี ความพยายามในการลดผลกระทบนี้รวมถึงการพัฒนาอิเล็กโทรดแบบใหม่เพื่อลดความจำเป็นในการรวบรวมตัวนำที่มีขั้วทั้งสอง^{[ 12 ] [ 13 ]}

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องตรวจจับเซมิคอนดักเตอร์มักถูกนำไปประกอบเข้ากับระบบขนาดใหญ่ในเชิงพาณิชย์ เพื่อใช้ในการวัดรังสีในรูปแบบต่างๆ

สเปกโตรมิเตอร์แกมมาที่ใช้ตัวตรวจจับ HPGe มักใช้สำหรับการวัดระดับต่ำของนิวไคลด์กัมมันตรังสีที่ปล่อยรังสีแกมมาในตัวอย่างสิ่งแวดล้อม ซึ่งต้องใช้สภาพแวดล้อมที่มีพื้นหลังต่ำ ซึ่งโดยทั่วไปจะทำได้โดยการห่อหุ้มตัวอย่างและตัวตรวจจับไว้ในแผ่นตะกั่วที่เรียกว่า 'ปราสาทตะกั่ว' ระบบอัตโนมัติได้รับการพัฒนา^{[ 14 ]}เพื่อเคลื่อนย้ายตัวอย่างจำนวนหนึ่งเข้าและออกจากปราสาทตะกั่วเพื่อทำการวัดตามลำดับ เนื่องจากความซับซ้อนของการเปิดแผ่นป้องกันและการเคลื่อนย้ายตัวอย่าง ระบบอัตโนมัตินี้จึงมีราคาแพงมาโดยตลอด แต่เมื่อเร็วๆ นี้ได้มีการนำเครื่องป้อนตัวอย่างอัตโนมัติที่มีต้นทุนต่ำกว่ามาใช้^{[ 15 ]}

เครื่องตรวจจับเซมิคอนดักเตอร์ โดยเฉพาะ HPGe มักถูกรวมเข้ากับอุปกรณ์สำหรับตรวจสอบลักษณะของกากกัมมันตรังสี ที่บรรจุไว้ ซึ่งอาจทำได้ง่ายๆ โดยการติดตั้งเครื่องตรวจจับบนแท่นเคลื่อนที่เพื่อนำไปยังพื้นที่สำหรับการวัดในสถานที่ และจับคู่กับการป้องกันเพื่อจำกัดขอบเขตการมองเห็นของเครื่องตรวจจับให้อยู่ในพื้นที่ที่สนใจสำหรับการวัดแบบ "เปิดรูปทรงเรขาคณิตของเครื่องตรวจจับ" ครั้งเดียว^{[ 16 ]}หรือสำหรับกากกัมมันตรังสีในถัง – ระบบต่างๆ เช่น เครื่องสแกนแกมมาแบบแบ่งส่วน (SGS) จะรวมเครื่องตรวจจับเซมิคอนดักเตอร์เข้ากับระบบเมคาทรอนิกส์แบบ บูรณาการ เพื่อหมุนวัตถุและสแกนเครื่องตรวจจับไปทั่วส่วนต่างๆ^{[ 17 ]}หากขอบเขตการมองเห็นของเครื่องตรวจจับถูกสแกนไปทั่วพื้นที่เล็กๆ ของวัตถุในหลายแกน เช่นเดียวกับที่ทำในเครื่องสแกนแกมมาแบบโทโมกราฟิก (TGS) โทโมกราฟีสามารถใช้เพื่อดึงข้อมูล 3 มิติเกี่ยวกับความหนาแน่นและการปล่อยรังสีแกมมาของวัตถุได้^{[ 18 ]}

มีการใช้ตัวตรวจจับเซมิคอนดักเตอร์ในกล้องแกมมาและระบบถ่ายภาพแกมมา บางระบบ ^{[ 19 ]}

• ปรากฏการณ์ลาซารัส
• ผลกระทบจากความโกลาหล
• เพชรสังเคราะห์
• สเปกโทรสโกปีการดูดกลืนรวม
• สเปกโทรสโกปีรังสีเอกซ์
• เครื่องตรวจจับไมโครสตริป
• ตัวตรวจจับพิกเซลแบบไฮบริด
• เครื่องมือประเภทหลิวหลิน

• สไลด์ PowerPoint เกี่ยวกับเครื่องตรวจจับซิลิคอนนำเสนอในงาน EDIT (Excellence in Detectors and Instrumentation Technologies) ปี 2011 ที่ CERN โดย M. Krammer และ F. Hartmann