KIP - °gTieftemperatur-Teilchendetektoren - Halbleiter-Thermistoren°eCryogenic particle detection - Halbleiter-Thermistoren°n


°gHalbleiter Thermistoren°eSemiconductor Thermistors°n

 °gBei diesen Kalorimetern wird die Temperaturerhöhung im Absorber mit Hilfe eines damit verbundenen Halbleiterwiderstands gemessen. Aufgrund der niedrigen Betriebstemperaturen T < 200 mK müssen Halbleiter mit sehr hohe Dotierungskonzentration eingesetzt werden. Die Wechselwirkung zwischen den Dotieratomen führt zu einer Veränderung der ansonsten nahezu konstanten Zustandsdichte, die als Coulomb-Lücke bezeichnet wird. Der Leitungsmechanismus beruht auf dem so genannten variable range hopping, d.h. thermisch aktivierten Sprüngen in Kombination mit quantenmechanischem Tunneln. Mit abnehmender Temperatur wird die mittlere Sprungweite größer, da es für die Ladungsträger günstiger wird zu weiter entfernten Potentialminima zu tunneln, für deren Erreichung weniger Aktivierungsenergie erforderlich ist. Die Temperaturabhängigkeit solcher Widerstände ist durch°eIn these devices the temperature rise of the absorber is monitored using the resistance change of a highly doped semiconductor. At low temperatures, the conduction mechanism in such materials is variable range hopping. In this regime the motion of the carriers is due to thermally activated hopping, in combination with tunneling. With decreasing temperature the average hopping distance increases, because it becomes more favorable for the carriers to tunnel further to remote potential minima, which require less activation energy than a nearby site. To obtain a suitable conduction at temperatures below 1 K, semiconductors need to have very high dopant densities, close to the insulator to metal transition. Clearly, in this case, the interaction between the dopants can not be neglected. A consequence of this interaction is the formation of a so-called Coulomb gap in the density of states. The temperature dependence of the resistance of such thermistors is given by°n
R = R0 exp(T0/T)1/2
°ggegeben, wobei R0 von der Geometrie des Thermistors und T0 von den Dotierungsparametern abhängt. Ein technisches Problem ist die Herstellung von homogenen Dotierungsdichten. Eine Möglichkeit sehr gleichförmige Konzentrationen von Dotieratomen zu erreichen ist das so genannte neutron transmutation doping (NTD), dem der Halbleiter mit thermischen Neutronen in einem Reaktor bestrahlt wird. Mit geringer Wahrscheinlichkeit werden dabei Neutronen eingefangen und wandeln Kern in benachbarte Isotope um. Eine andere Dotierungsmethode, die bei Halbleiter-Thermistoren eingesetzt wurde ist die Ionenimplantation. °eThe constant R0 is mainly determined by the geometry of the thermistor and T0 is a parameter which depends on its doping. A technical problem is the production of devices with homogenous doping densities. One method for obtaining a very uniform concentration is neutron transmutation doping (NTD), in which the semiconductor crystals are irradiated with thermal neutrons from a nuclear reactor. With some low probability, the neutrons are captured by nuclei, which transform into isotopes of neighboring elements. Using this technique, NTD-Ge thermistors with a very uniform doping concentration have been produced. Alternatively, Si thermistors have been fabricated by means of ion implantation. The main advantage of using Si is the possibility of applying the well established micro-fabrication techniques for this material.°n

°gAufgrund der Einfachheit ihres Betriebs wurden Halbleiter-Thermistoren für viele Anwendungen ausgewählt, bei denen Tieftemperaturdetektoren von Vorteil sind. Hier einige Links zu Arbeitsgruppe die Tieftemperaturdetektoren basierend auf Halbleiter-Thermistoren entwickeln und einsetzen:°eBecause of the ease of operation, thermistors have been chosen for many applications in which low temperature particle detectors are considered to be beneficial. Here some links to groups which develop and apply cryogenic detectors based on semiconductor thermistors:



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INFN, °gMailand (Italien)°eMilano (Italy)°n

University of Wisconsin, Madison (USA)

NASA Astro-E, X-Ray Spectrometer (USA)

NASA XQC Rocket Program (USA)

Cryogenic Dark Matter Search (USA)

°gAbb. 1: Schematischer Verlauf des Widerstands eines Halbleiter-Thermistors als Funktion der Temperatur°eFig. 1: Temperature dependence of the resistance of a semiconductor thermistor°n.