6. Entrepreneurship education and its impacts
6.7 Conclusion and implications
A principal informação associada às interacções entre o detector semicondutor e a radiação encontra-se no par electrão-lacuna criado. O número de pares electrão lacuna é regulado pela energia média que é gasta pela partícula carregada, para produzir um único par electrão-lacuna. Esta quantidade é muito maior do que a hiato. É independente tanto da energia como do tipo de radiação incidente, o que simplifica a estimativa de pares electrão-lacuna se a energia depositada por radiação estiver disponível.
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Os níveis de dopagem nos semicondutores tipo-p e tipo-n são geralmente baixos e as interacções da radiação com os dopantes podem ser desprezáveis. Portanto um semicondutor de silício do tipo p ou do tipo n com a mesma espessura terá o mesmo tipo de interacção com a radiação.
Ao criar-se a junção p-n os portadores deslocam-se do lado onde são maioritários para o lado onde são minoritários. Devido à diferença de concentração de portadores maioritários entre o lado p e o lado n existirá uma difusão de lacunas de p para n e de electrões de n para p. Assim, haverá difusão de electrões, provenientes da banda de condução, do lado n para o lado p onde se combinam. Esta aniquilação é devida à captura dos electrões pelos centros de impureza que possuem menor valência que os átomos tetravalentes da rede cristalina. No lado n a difusão dos electrões para o lado p, proporciona a geração de cargas positivas imóveis, na forma de impurezas ionizadas positivamente [TUR85]. Para as lacunas ocorre o processo inverso, de tal forma que, no equilíbrio, é criada uma região na junção que é desprovida de portadores móveis, isto é, um espaço com cargas positivas no lado n e outro equivalente negativo no lado p da junção. A essa região dá-se o nome de zona de depleção, representada na figura 2.14.
Figura 2.14 Esquema da zona de depleção
Quando uma junção p-n é iluminada por um feixe de fotões suficientemente energéticos, com um comprimento de onda,
hc /E
g, ocorre o efeito fotoeléctrico interno, ou seja a geração de pares electrão lacuna. O campo eléctrico que existe na zona de depleção da junção separa os electrões e as lacunas, prevenindo a sua recombinação.70
Se as regiões n e p não estiverem ligadas entre si por um circuito externo, as cargas criadas pela iluminação vão-se acumulando, as negativas na n e as positivas na p, diminuindo assim a altura da barreira de potencial. Quando esta desaparecer, a separação dos foto-portadores de carga deixa de se dar e a diferença de potencial entre as regiões n e p atinge um valor estacionário, chamado de foto-f.e.m (V0).
Se as regiões n e p ficarem em regime de curto-circuito, vai existir, neste circuito, uma corrente estacionária, proporcional à intensidade da iluminação, chamada de foto-corrente, que é o que se passa quando são utilizados como fotodetectores, ou seja, dispositivos sensíveis à radiação de uma determinada gama espectral.
A luz incide numa superfície do cristal semicondutor, junto à qual se encontra, por exemplo, a região n, é nesta região que os fotões são absorvidos com maior probabilidade. Admitindo que foram criados portadores de carga fora do equilíbrio na região n e que não há ligação exterior entre as regiões n e p, os foto-electrões e as foto-lacunas difundem na direcção da junção p-n e recombinam parcialmente. Na zona de depleção, há barreira para os electrões (maioritários na região n), e por isso eles não penetram na região p. Ao contrário, as foto-lacunas que alcançam a zona de depleção são capturadas pelo campo acelerador e passam para a região p formando uma foto-corrente que é proporcional ao número de pares electrão-lacuna produzidos, isto é à dose [VAS05].
A região de depleção tem propriedades atractivas como meio de detecção de radiação. O campo eléctrico no seu interior provoca a migração dos electrões aí criadas na direcção do material tipo n, enquanto as lacunas se movem na direcção contrária, para a região p. Este movimento leva a que a concentração de electrões e lacunas na região de depleção seja quase nula. As únicas cargas que permanecem na região de depleção são as cargas imóveis, impurezas dadoras e aceitadoras. Como estas cargas não contribuem para a condutividade, a região de depleção fica com uma resistividade muito elevada comparada com a dos materiais de tipo n e p, em cada um dos lados da junção.
Os pares electrão-lacuna criados na região de depleção devido à absorção de radiação são conduzidos para o exterior por acção do campo eléctrico existente e o movimento de electrões constitui o sinal eléctrico.
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Na ausência de radiação ionizante os fotodíodos exibem uma corrente de fuga de estado estacionário, devido à geração térmica de cargas móveis. A concentração destas cargas na região de depleção é muito reduzida, porque o tempo de recolha (alguns nanosegundos) é bastante inferior ao tempo necessário para estabelecer o equilíbrio térmico. Por isso, uma pequena quantidade de carga produzida na região de depleção, por uma partícula ionizante, é facilmente detectada.
Ao aplicar uma diferença de potencial no fotodiodo, de modo a polarizar inversamente a junção p-n, observa-se uma corrente de fuga da ordem de uma fracção de micro-ampere. Esta corrente pode ter origem no volume ou na superfície do detector.
A corrente de fuga (IFV), gerada no interior do volume do semicondutor deve-se a dois mecanismos diferentes. Devido ao sentido do campo eléctrico na região de depleção, os transportadores maioritários que difundem-se da região p ou n do fotodíodo para as extremidades da zona de depleção, são repelidos pela junção p-n. No entanto, os transportadores minoritários são gerados continuamente em ambos os lados da junção e são livres de se difundirem. Do seu movimento resulta uma corrente de fuga estacionária proporcional à área da junção. Na maioria dos casos a corrente de fuga dos transportadores minoritários é pequena, sendo pouco significativa para a corrente de fuga total. A segunda fonte de corrente de fuga volumétrica é a geração térmica de pares electrão-lacuna na região de depleção e pode ser reduzida diminuindo a temperatura de operação do fotodíodo. Esta é uma das razões pela qual é importante operar os fotodíodos a temperaturas baixas [KRE80]..
A corrente de fuga de superfície (IPS) tem origem nas extremidades da junção p-n, devido ao elevado gradiente de diferença de potencial que aí se estabelece pela aplicação de diferença de potencial de polarização. A corrente de fuga superficial é afectada por factores como o encapsulamento do detector, humidade, contaminação da superfície do detector por impurezas digitais, óleos provenientes do processo de evacuação de gases e outros vapores condensáveis.
A monitorização da corrente de fuga é um procedimento bastante importante na operação dos fotodíodos, visto que permite detectar alguma anormalidade no seu comportamento. Uma variação brusca do valor de corrente de fuga indica uma alteração no desempenho do fotodíodo.
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O aumento da diferença de potencial de polarização do fotodíodo provoca um ligeiro aumento da corrente de fuga. No entanto, um aumento brusco pode significar a ruptura do detector e por isso é necessário baixar a diferença de potencial de alimentação.