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RESEARCH PRODUCT

Fenomeni di polarizzazione in rivelatori Al/CdTe/Pt per spettroscopia X e gamma

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L’uso dei rivelatori a semiconduttore ha avuto, negli anni, un’importanza strategica nella spettroscopia X e gamma (1 keV – 2 MeV), con eccellenti risultati sia in applicazioni mediche che astrofisiche. L’imaging medicale (mammografia, tomografia computerizzata), il monitoraggio ambientale (radiazione di fondo), rivelatori da piano focale per telescopi X in astrofisica e sistemi di fluorescenza a raggi X nei Beni Culturali ne rappresentano alcune importanti applicazioni. I rivelatori a semiconduttore hanno trovato largo impiego grazie alle loro interessanti proprietà soprattutto se confrontate con i sistemi di rivelazione tradizionali (a gas e scintillatori); un migliore rapporto segnale-rumore e quindi una migliore risoluzione energetica grazie alla piccola energia media di ionizzazione. Inoltre, grazie alla loro elevata densità rispetto ai rivelatori a gas garantiscono una migliore efficienza di rivelazione con la possibilità di realizzare sistemi compatti e portatili. I materiali tradizionalmente utilizzati per la realizzazione di rivelatori per spettroscopia X e gamma sono il silicio (Si) e il germanio (Ge). Nonostante le buone proprietà di trasporto dei portatori di carica e l’eccellente livello di purezza, il modesto numero atomico (Si: Z = 14; Ge: Z = 32) ne limita l’efficienza di rivelazione in range energetici elevati (raggi X duri e gamma), mentre la stretta band gap (Si: ∼ 1.1 eV; Ge: ∼ 0.7 eV) non ne consente l’uso in condizioni di temperatura ambiente. Negli ultimi due decenni, sono stati proposti e studiati nuovi rivelatori basati su semiconduttori composti (GaAs, HgI2, CdTe, CdZnTe, TlBr) con band gap e numero atomico maggiori del Si e Ge, capaci di garantire buone prestazioni anche a temperatura ambiente. Il tellururo di cadmio (CdTe) ne rappresenta uno dei materiali più promettenti, caratterizzato da un elevato numero atomico (ZCd = 48; ZTe = 52; Eg = 1.44 eV) e da un’ampia band gap (∼ 1.44 eV). Nonostante le interessanti proprietà fisiche, i principali inconvenienti di questi rivelatori sono legati ai fenomeni di trapping dei portatori di carica dovuti a difetti ed impurità presenti nei cristalli. Tradizionalmente, i rivelatori CdTe sono realizzati con contatti ohmici (Pt, Au) su entrambi gli elettrodi (anodo e catodo), grazie alle correnti di leakage piuttosto contenute ( 106 fotoni/mm2/sec), per applicazioni mediche (mammografia, tomografia) ed industriali (ispezioni e controlli di qualità). Il primo capitolo illustra le principali proprietà fisiche del CdTe, i particolari meccanismi che regolano il contatto metallo-semiconduttore, i fenomeni di polarizzazione ed infine le principali applicazioni dei rivelatori CdTe. Il secondo capitolo presenta i risultati della caratterizzazione elettrica di rivelatori CdTe planari, focalizzando l’attenzione sui meccanismi di trasporto di carica e sugli effetti della polarizzazione. Nel terzo capitolo sono riportati i risultati della caratterizzazione spettroscopica dei rivelatori nel range 22 – 122 keV, con particolare attenzione alla correlazione tra i fenomeni elettrici e spettroscopici dovuti alla polarizzazione. Il quarto capitolo presenta i risultati della caratterizzazione elettro-ottica Le attività sperimentali sono state effettuate presso l’Istituto di Fisica dell’Università della Charles University di Praga durante un periodo di permanenza all’estero sotto la guida del direttore dell’Istituto, il Prof. Jan Franc. Infine, nel quinto capitolo vengono presentate le proprietà elettriche di un rivelatore CdTe a pixel. Over the years the use of semiconductor detectors has had a strategic importance in X and gamma (1 keV – 2 MeV) spectroscopy, with excellent results both in medical and astrophysics applications. The medical imaging (mammography, computed tomography), environmental monitoring (CMB) from the focal plane detectors for X telescopes and astrophysical systems, X-ray fluorescence in the Cultural Heritage represent some important applications. The semiconductor detectors have been widely used due to their interesting properties especially when compared with the conventional detection systems (gas and scintillators); a better signal-noise ratio and therefore a better energy resolution, thanks to the small average energy of ionization. Moreover, thanks to their high density compared to gas detectors provide improved detection efficiency with the possibility of achieving compact and portable systems. The materials traditionally used for the realization of detectors for X and gamma spectroscopy are silicon (Si) and germanium (Ge). Despite the good transport properties of charge carriers and the excellent level of purity, the low atomic number (Si: Z = 14; Ge Z = 32) limits the detection efficiency in the range of high energy (hard X-rays and gamma), while the narrow band gap (Si ~ 1.1 eV, Ge: ~ 0.7 eV) does not allow to operate in ambient temperature conditions. Over the past two decades, have been proposed and studied new detectors based on compound semiconductors (GaAs, Hgl2, CdTe, CdZnTe, TlBr) with band gap and atomic number greater than the Si and Ge, which are able to ensure good performance even at room temperature. The cadmium telluride (CdTe) represents one of the most promising materials, characterized by a high atomic number (ZCd = 48; ZTe = 52; Eg 1.44 eV) and a large band gap (~ 1.44 eV). Despite the interesting physical properties, the main disadvantages of these detectors are related to the phenomena of trapping of charge carriers due to defects and impurities present in the crystals. CdTe detectors are usually realized with ohmic contacts (Pt, Au) on both electrodes (anode and cathode), due to the low leakage currents ( 106 fotoni/mm2/sec), that can be used for medical (mammography, tomography) and industrial (inspections and controls quality) applications. The first chapter presents the basic physical properties of the CdTe material, the specific mechanisms that regulate the metal-semiconductor contact, the phenomena of polarization and finally the main applications of CdTe detectors. The second chapter presents the results of the electrical characterization of planar CdTe detectors, focusing on the charge transport mechanisms and the polarization phenomenon. The third chapter summarizes the results of the spectroscopic characterization of the investigated detectors in the 22 – 122 keV range, focusing on the effects of the polarization and the correlation between electrical and spectroscopic phenomena. The fourth chapter presents the results of electro-optical characterization. These experiments were carried out at the Institute of Physics of the Charles University in Prague, during a period spent living abroad, under the guidance of the Director of the Institute, the Prof. Jan Franc. Finally, in the fifth chapter the results of the electrical characterization of a pixel CdTe detector are presented.