Circuito equivalente de um silício

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12525 (2023) Citar este artigo

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Os detectores de radiação nuclear são indispensáveis ​​para pesquisas na área de radiação nuclear, espectroscopia de raios X e outras áreas. O interesse em detectores de radiação nuclear de silício p – i – n está aumentando hoje devido à possibilidade de sua operação em condições normais. Neste artigo, é proposto um circuito equivalente de um detector de radiação nuclear silício-lítio p-i-n. O circuito proposto é obtido usando a equação clássica de Shockley para semicondutores de silício e as equações telegráficas. Os parâmetros do circuito equivalente foram determinados pelo método de regressão múltipla. Como resultado da simulação do modelo no ambiente de desenvolvimento gráfico MATLAB Simulink, foram obtidas as características amplitude-frequência e fase-frequência do modelo proposto. Usando o método de Monte Carlo, o decaimento alfa do isótopo de urânio \({}_{92}{}^{233}\mathrm{U}\), isótopo de tório \({}_{90}{}^{ 227}\mathrm{Th}\) e o isótopo de amerício \({}_{95}{}^{241}\mathrm{Am}\) o espectro de decaimento alfa foi obtido. Os espectros de decaimento alfa obtidos coincidem com os dados experimentais, apresentados em trabalhos anteriores de outros autores.

Detectores semicondutores estruturados p – i – n são usados ​​​​em muitos campos de pesquisa como instrumentos de precisão 1, especialmente em experimentos de física de alta energia . O surgimento de detectores com maior área de detecção gerou grande interesse neles, pois melhoraram significativamente a eficiência dos detectores e possibilitaram o registro de partículas carregadas de fraca intensidade3. No entanto, hoje, apesar dos processos físicos nos diodos pin – i – n e suas características terem sido bem estudados, os cientistas ainda estão trabalhando no desenvolvimento de detectores semicondutores de grande porte baseados em estruturas pin – i – n . Detectores de Si (Li) de grande porte são usados ​​em imagens médicas, astrofísica de alta energia, polarimetria Compton, monitoramento de resíduos nucleares7. Os principais problemas no aprimoramento de detectores pin de grandes tamanhos estão relacionados à sua tecnologia de desenvolvimento8,9 e ao desenvolvimento de eletrônica de leitura ideal para esses detectores10,11. Em 12,13 autores mostraram a aplicação de diodos p – i – n de silício para espectroscopia. O circuito equivalente do diodo ap – i – n foi apresentado e o ruído de pré-amplificação foi investigado.

Dementyev et al.14 em seu trabalho estudaram amplamente a eletrônica de leitura de detectores pin. Em seu trabalho, os autores trouxeram evidências valiosas sobre os prós e os contras dos diodos pin como detectores de raios X. Como vantagem dos detectores pin – i – n, eles enfatizam as seguintes características: resistência ao campo magnético; tamanho compacto; baixa tensão operacional; estabilidade inerente e longo tempo de permanência. Como desvantagens dos detectores pin – i – n, os autores mencionaram as seguintes características: as resoluções de energia de domínio dos detectores pin – i – n estão em baixas energias, portanto, eles precisam de um sistema pré-amplificador de alto ganho, resolução de temporização relativamente baixa e problemas relacionados à aceitação de altas taxa de contagem. Vários desses problemas foram resolvidos por alguns grupos de autores, por exemplo, Muminov et al.15,16 propuseram uma tecnologia única para a fabricação de detectores de Si (Li) p – i – n de grande porte com ajuda de dupla face difusão e deriva de íons Li em silício monocristalino. Aplicando esta tecnologia, os autores puderam obter detectores de Si (Li) p – i – n de grande porte, onde poderiam aumentar a taxa de contagem do detector devido ao seu tamanho e aumentaram sua eficiência devido à distribuição uniforme de íons Li no i - região. A tecnologia mais utilizada para aumentar a taxa de contagem e resolução dos detectores é usar várias tecnologias de resfriamento17,18 durante a operação do detector. Para obter uma taxa de contagem de alta velocidade, Gontard et al.19 projetaram um circuito de alta largura de banda às custas do ruído eletrônico e utilizaram um protótipo do circuito eletrônico conectado a um detector, com o objetivo de detectar eventos de elétron único de 200 KeV.