Газонаполненные детекторы имеют два недостатка. Во-первых,
плотность газа низка и энергия, теряемая частицей в объёме детектора мала, что
не позволяет эффективно регистрировать высокоэнергичные и слабоионизующие
частицы. Во-вторых, энергия, необходимая для рождения пары электрон-ион в газе
велика (30-40 эВ), что увеличивает относительные флуктуации числа зарядов и
ухудшает энергетическое разрешение. Значительно более удобными в этом плане
являются детекторы с твёрдотельной рабочей средой. Наибольшее распространение
получили полупроводниковые детекторы из кристаллов кремния (плотность
2.3 г/см3) и германия (5.3 г/см3). В полупроводниковом
детекторе определенным образом создается чувствительная область, в которой нет
свободных носителей заряда. Попав в эту область, заряженная частица вызывает
ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в
валентной зоне - дырки. Под действием напряжения, приложенного к напылённым на
поверхность чувствительной зоны электродам, возникает движение электронов и
дырок, формируется импульс тока. К полупроводниковому кристаллу прикладывается
напряжение до нескольких кВ, что обеспечивает сбор всех зарядов, образованных
частицей в объёме детектора.
Энергия, необходимая для рождения одной пары электрон-дырка в
кремнии равна 3.62 эВ при температуре T = 300 K и 3.72 эВ при T = 80 K, германии
она равна 2.95 эВ при T = 80 K. Это при использовании полупроводникового
счётчика в качестве спектрометра позволяет в несколько раз улучшить
энергетическое разрешение по сравнению с газонаполненными счётчиками, такими как
ионизационная камера и пропорциональный счётчик.
Для регистрации заряженных частиц используют кремниевые
детекторы и детекторы из сверхчистого германия (HpGe). Толщина чувствительной
области кремниевых детекторов не превышает 5 мм, что соответствует пробегу
протонов с энергией ~30 МэВ и α-частиц с энергией ~120 МэВ. Для германия толщина
5 мм соответствует пробегам протонов и α-частиц с энергиями ~40 МэВ и ~160 МэВ
соответственно. Более того, германиевые детекторы могут быть изготовлены с
гораздо более толстой чувствительной областью.
Кремниевые детекторы часто используют при комнатной
температуре. Германиевые детекторы всегда охлаждают до азотных температур.
Большие преимущества даёт применение полупроводниковых
детекторов в спектрометрах γ-квантов. В этом случае применяются специально
выращенные кристаллы сверхчистого германия объёмом до нескольких сотен см3.
Германий имеет довольно высокий атомный номер Z = 32 и поэтому эффективное
сечение взаимодействия γ-квантов велико (вероятность фотоэффекта
пропорциональна
Z5, Комптон-эффекта – Z, рождения пар – Z2).
Чтобы добиться наилучшего энергетического разрешения германиевые кристаллы во
время эксперимента охлаждают до температуры жидкого азота (77о К).
Энергетическое разрешение германиевых детекторов при регистрации γ-квантов
достигает 0.1%, что в десятки раз выше, чем у сцинтилляционных детекторов.
Временнoе разрешение лучших полупроводниковых детекторов 10-8-10-9 с.
