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KIP - Tieftemperatur-Teilchendetektoren - Halbleiter-Thermistoren

Halbleiter Thermistoren

Bei 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
R = R₀ exp(T₀/T)^1/2
gegeben, 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.

Aufgrund 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:

INFN, Mailand (Italien)

University of Wisconsin, Madison (USA)

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

NASA XQC Rocket Program (USA)

Cryogenic Dark Matter Search (USA)

Abb. 1: Schematischer Verlauf des Widerstands eines Halbleiter-Thermistors als Funktion der Temperatur.