半導体はんどうたい検出けんしゅつ器き

半導体はんどうたい検出けんしゅつ器き（はんどうたいけんしゅつき, 英えい: semiconductor detector^{[注釈ちゅうしゃく 1]}）とは、半導体はんどうたいを利用りようした放射線ほうしゃせん検出けんしゅつ器きを言いう。

半導体はんどうたい検出けんしゅつ器きは、時間じかん応答おうとう性せいが比較的ひかくてき早はやくエネルギー分解能ぶんかいのうが優すぐれていることから主おもにエネルギー分析ぶんせきに用もちいられる^[2]。半導体はんどうたいとしては、シリコンまたはゲルマニウムが主おもに用もちいられる。

概要がいよう

半導体はんどうたいはそのままでは電気でんきを通とおさないが、放射線ほうしゃせんが入射にゅうしゃすると電離でんり作用さようにより電子でんし正せい孔あな対たいが生成せいせいされ電気でんきが通とおるようになる^[2]。これはすなわち、放射線ほうしゃせんの入射にゅうしゃを電気でんき信号しんごうに変換へんかんできることを意味いみするが、この性質せいしつを利用りようした放射線ほうしゃせん検出けんしゅつ器きを半導体はんどうたい検出けんしゅつ器き（semiconductor detector）と呼よぶ。

他たの放射線ほうしゃせん検出けんしゅつ器きに比くらべて半導体はんどうたい検出けんしゅつ器きはエネルギー分解能ぶんかいのうが高たかく^{[注釈ちゅうしゃく 2]}、特とくにゲルマニウム半導体はんどうたい検出けんしゅつ器きはガンマ線がんませんのスペクトル分析ぶんせきを正確せいかくに行おこなえることから放射ほうしゃ性せい核種かくしゅの同定どうていや放射能ほうしゃのうの測定そくていをするにあたって広ひろく用もちいられている^[4]。

動作どうさ原理げんり

バンド理論りろんによれば、普通ふつうの状態じょうたいにおいて半導体はんどうたいは伝導でんどう帯たい（conduction band）に伝導でんどう電子でんしが存在そんざいしないことから電圧でんあつをかけても電流でんりゅうは流ながれない。しかし、価あたい電子でんし帯たい（valence band）のエネルギーレベルにある電子でんしになんらかの方法ほうほうでエネルギーを与あたえることで、その電子でんしを伝導でんどう帯たいのエネルギーレベルにバンドギャップを超こえて励起れいきさせることができれば、半導体はんどうたい材料ざいりょうに電圧でんあつをかけることで電流でんりゅうが流ながれるようになる^[2]。

放射線ほうしゃせんが物質ぶっしつに入射にゅうしゃするとその相互そうご作用さようにより電子でんしが発生はっせいするが、この電子でんしが半導体はんどうたい材料ざいりょう中ちゅうの価あたい電子でんし帯たいのエネルギーレベルにある電子でんしにエネルギーを与あたえることで伝導でんどう帯たいへの励起れいきが発生はっせいする。ここで半導体はんどうたい材料ざいりょうに電圧でんあつがかかっていれば放射線ほうしゃせんの入射にゅうしゃを契機けいきとして電流でんりゅうが流ながれることとなる。これは半導体はんどうたい材料ざいりょうへ放射線ほうしゃせんが入射にゅうしゃする状況じょうきょうの電気でんき信号しんごうへの変換へんかんに他たならず^{[注釈ちゅうしゃく 3]}、半導体はんどうたい検出けんしゅつ器きは動作どうさ原理げんりとしてこれを利用りようしている。

半導体はんどうたい材料ざいりょう中ちゅうで吸収きゅうしゅうされる放射線ほうしゃせんのエネルギーを E、1個いっこの電子でんし正せい孔あな対たいを作つくるのに必要ひつような平均へいきんエネルギーを εいぷしろん、生成せいせいされる電子でんし正せい孔あな対たいの数かずを n とする。このとき、以下いかのような関係かんけい

n={\frac {E}{\epsilon }}

が成なり立たつ。ここで、一定いっていの入射にゅうしゃエネルギー E に対たいして生しょうじる電子でんし正せい孔あな対たいの数かず n が多おおいほどエネルギー分解能ぶんかいのうは高たかい。半導体はんどうたいは εいぷしろんの値ねが低ひくいため、n の値ねが多おおくなり必然ひつぜん的てきにエネルギー分解能ぶんかいのうが高たかくなることになる^{[注釈ちゅうしゃく 4]}。

ゲルマニウム半導体はんどうたい検出けんしゅつ器き

Ge半導体はんどうたい検出けんしゅつ器きはバンドギャップの幅はばが小ちいさいため、常温じょうおんでは熱ねつエネルギーによりバンドギャップを超こえて電子でんしが存在そんざいするので電気でんき抵抗ていこうが低ひくすぎて検出けんしゅつ器きとしては使つかいものにならない。液体えきたい窒素ちっそにより冷却れいきゃくすることによってバンドギャップを超こえる電子でんしがなくなるので抵抗ていこう値ちが実用じつようレベルになって検出けんしゅつ器きとして用もちいることができる^[3]。使用しようしないときは常温じょうおんで保管ほかんが可能かのうである。Ge半導体はんどうたい検出けんしゅつ器きでは結晶けっしょう不感ふかん部ぶにより吸収きゅうしゅうされてしまうので測定そくてい可能かのうエネルギー下限かげんはせいぜい50 keV程度ていどである^[3]。

放射線ほうしゃせんスペクトルの解析かいせきを行おこなうには上述じょうじゅつの通とおり増幅器ぞうふくきによって電気でんきパルスを増幅ぞうふくし、これを多重たじゅう波高はこう分析ぶんせき器き (MCA) で解析かいせきする。検出けんしゅつ器きの分解能ぶんかいのうが高たかいため、性能せいのうを存分ぞんぶんに発揮はっきするためにはNaIシンチレーション検出けんしゅつ器きを用もちいたスペクトル解析かいせきとは違ちがい安定あんてい性せいの高たかい増幅器ぞうふくき・チャンネル数すうの多おおいMCA (通常つうじょう 4096 ch) を用もちいる必要ひつよう性せいがある。

シリコン半導体はんどうたい検出けんしゅつ器き

Si(Li)半導体はんどうたい検出けんしゅつ器きとシリコンドリフト検出けんしゅつ器きがある。主おもに、エネルギー分散ぶんさん型がたX線せん分析ぶんせきで用もちいられることが多おおい。放射線ほうしゃせん分野ぶんやでは、分解能ぶんかいのうに優すぐれているので核種かくしゅの同定どうていなどに威力いりょくを発揮はっきし、特とくに低ていエネルギー領域りょういきの測定そくていに用もちいられる。測定そくていの方法ほうほうはGe半導体はんどうたい検出けんしゅつ器きと変かわらない。

Si (Li) 半導体はんどうたい検出けんしゅつ器き（略称りゃくしょう：SSD）: Siの結晶けっしょうにLiをドリフトした検出けんしゅつ器きで、こちらは100eV程度ていどから20 keV程度ていどまでのX線せんの分解能ぶんかいのうに優すぐれ、検出けんしゅつ効率こうりつはほぼ100%である^[3]。しかしGe半導体はんどうたい検出けんしゅつ器きと違ちがいSiは原子げんし番号ばんごうが小ちいさいため、最大さいだい50 keV程度ていどまでのX線せんが測定そくていの限界げんかいである^[3]。; 目的もくてきの性能せいのうで使用しようするためには、液体えきたい窒素ちっそ温度おんどまで冷却れいきゃくする必要ひつようがある。

シリコンドリフト検出けんしゅつ器き(略称りゃくしょう：SDD): Siにドリフト電圧でんあつを印加いんかした検出けんしゅつ器きである。Si(Li)に比くらべ、高こうエネルギー側がわの感度かんどが悪わるいが、高たかいエネルギー分解能ぶんかいのうを維持いじしたまま、多おおくのＸ線えっくすせんを計数けいすうすることが可能かのうである。近年きんねん、エネルギー分散ぶんさん型がたX線せん分析ぶんせきでは、SDDが主流しゅりゅうとなってきている。液体えきたい窒素ちっそ温度おんどまで冷却れいきゃくする必要ひつようがなく、ペルチィエ冷却れいきゃくで使用しようできるため、小型こがたかつ軽量けいりょうとなっている。

その他たの半導体はんどうたい検出けんしゅつ器き

このように使用しよう時じ・保存ほぞん時じともに低温ていおんに冷却れいきゃくする必要ひつよう性せいがある検出けんしゅつ器きが多おおいが、最近さいきんでは電気でんき冷却れいきゃくが可能かのうなものや、室温しつおん程度ていどで動作どうさするCdTeなどを用もちいた検出けんしゅつ器きの研究けんきゅうも進すすめられており、分解能ぶんかいのうはGe半導体はんどうたい検出けんしゅつ器きなどには劣おとるもののシンチレーション検出けんしゅつ器きに比くらべれば10倍ばい程度ていどと十分じゅうぶん高たかい分解能ぶんかいのうを有ゆうするので^[3]、医学いがくや高こうエネルギー天文学てんもんがく、環境かんきょう放射線ほうしゃせんの計測けいそくなどへの応用おうようが期待きたいされている。

また、最近さいきん用もちいられている個人こじん被曝ひばく量りょうを測定そくていする線量せんりょう計けいなどはシリコン半導体はんどうたい検出けんしゅつ器きを採用さいようしたものも多おおい^[3]。これは冷却れいきゃくしなくても常温じょうおんで使用しようできる。

脚注きゃくちゅう

[脚注きゃくちゅうの使つかい方かた]

注釈ちゅうしゃく

^ 固体こたい検出けんしゅつ器き（こたいけんしゅつき, 英えい: solid state detector, SSD）とも呼よばれる^[1]。
^ 分解能ぶんかいのうに非常ひじょうに優すぐれているため低ていレベル放射線ほうしゃせんでも感度かんどよく計測けいそくできる。しかし特定とくていの試料しりょうの低ていレベル放射線ほうしゃせんを計測けいそくしたい場合ばあい、バックグラウンドレベルの放射能ほうしゃのうでもノイズとなる。このため、試料しりょうの放射線ほうしゃせんを測定そくていするには遮蔽しゃへい体たいで検出けんしゅつ器きを覆おおう必要ひつようがある。特とくに厚あつさ10 cm程度ていどの鉛なまりで検出けんしゅつ器きを覆おおい、更さらに内部ないぶに1 mm程度ていどのカドミウム、さらにはその内側うちがわに1 mm程度ていどの銅どうで覆おおうことによって、ほとんどのノイズ放射線ほうしゃせんを除去じょきょできる。鉛なまりの同位どうい体たいからの放射線ほうしゃせんや80 keVの鉛なまりの特性とくせいX線せんはカドミウムによって遮蔽しゃへいされ、銅どうはカドミウムの23 keVの特性とくせいX線せんを遮蔽しゃへいするのに用もちいる。しかしカドミウムの特性とくせいX線せんレベルの放射線ほうしゃせんに対たいしてはGe半導体はんどうたい検出けんしゅつ器きは感度かんどが皆無かいむであるので、測定そくてい可能かのうエネルギー領域りょういきが広ひろい検出けんしゅつ器きに対たいしては有効ゆうこうである。検出けんしゅつ器きに数すうmm程度ていどのアクリルなどのプラスチックキャップをかぶせる事ことがあるが、これはベべータ線たせんなどの電子でんしを遮蔽しゃへいする事ことと、制動せいどう放射ほうしゃの抑制よくせいが目的もくてきである。^[3]
^ こうして得えられた電気でんき信号しんごうを電荷でんか総量そうりょうに比例ひれいした信号しんごうを出力しゅつりょくする増幅器ぞうふくきを介かいして増幅ぞうふく・測定そくていすることにより、空そら孔あな内部ないぶで失うしなわれたエネルギーがわかる。
^ 電子でんし-正せい孔あな対たいを1個いっこ作つくり出だすのに必要ひつようなエネルギーは、ゲルマニウム半導体はんどうたい検出けんしゅつ器きで2.96 eV、シリコン半導体はんどうたい検出けんしゅつ器きで3.62 eVである。一方いっぽうで、例たとえばシンチレータが信号しんごうを一ひとつ作つくり出だすのに必要ひつような最低さいていエネルギーは数すう百ひゃくeVである。^[5]

出典しゅってん

^ 世界せかい大だい百科ひゃっか事典じてん「X線せん」
^ ^a ^b ^c 計測けいそく学がく(2003) p.41
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g 放射線ほうしゃせん概論がいろん
^ 計測けいそく学がく(2003) p.102
^ 計測けいそく学がく(2003) p.43

参考さんこう文献ぶんけん

飯田いいだ博美ひろみ編へん『放射線ほうしゃせん概論がいろん』通商つうしょう産業さんぎょう研究けんきゅう社しゃ、2005年ねん。ISBN 4-86045-101-5。
西谷にしたに源はじめ展てん, 山田やまだ勝彦かつひこ, 前ぜん越こし久ひさ(共編きょうへん) 著ちょ、日本にっぽん放射線ほうしゃせん技術ぎじゅつ学会がっかい(監修かんしゅう) 編へん『放射線ほうしゃせん計測けいそく学がく』(株かぶ)オおーム社むしゃ〈放射線ほうしゃせん技術ぎじゅつ学がくシリーズ〉。
日本にっぽんアイソトープ協会きょうかい(編へん) 編へん『放射線ほうしゃせん・アイソトープ講義こうぎと実習じっしゅう』丸善まるぜん、1992年ねん。
川村かわむら肇はじめ『半導体はんどうたいの物理ぶつり』槇まき書店しょてん〈新しん物理ぶつり学がく進歩しんぽシリーズ3〉、1966年ねん。