semicondutores1- aplicados a medicina

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Aplicações de Semicondutores em 
Medicina
Conceitos da Instrumentação Nuclear
Luiz Antonio Pereira dos Santos
CNEN-CRCN
PRÓ-ENGENHARIAS UFS-IPEN-CRCN
Aracaju
Março - 2010
Aplicações da instrumentação
Tomografia computadorizada
Radioterapia
Medicina 
Nuclear
Como medir a dose em radiocirurgia?
Instrumentação (IEEE)
Instrumentação: por dentro da caixa 
→ Transdutor
→ Amplificador
→ Digitalizador
→ Processador
→ Programa de 
 computador
→ Comunicação
→Mostrador ou 
 Tela gráfica
● Fototransistor
● Termistor
● Cristal piezoelétrico
● Strain gage
● Capacitor higroscópico
Transdutores
Converte a grandeza física em 
sinal de tensão ou corrente elétrica
Transdutores de radiação ionizante: 
câmara de ionização a ar-livre
Simulador de Detector de 
Radiações ionizantes
A radiação nos materiais cristais 
semicondutores
Materiais utilizados como detectores 
de radiações ionizantes
● Silício => geração de pares eletrons lacunas
● Germânio => geração de pares eletrons lacunas
● Telureto de Cádmio (CdTe) e CdZnTe (CZT)
● Cristais cintiladores => geração de centros 
luminescentes na banda proibida
● Polímeros => produção de troca de cargas entre os 
anéis aromáticos, por exemplo.
● Óxido de metal tem característica semicondutora, 
ex.: óxido de zinco, óxido de cobre, óxido de 
alumínio, etc.
Como é a estrutura de alguns tipos de 
materiais cristais semicondutores?
● Figura extraída da revista Ciência Hoje.
Teoria da mecânica quântica
● Formulada para o átomo de Hidrogênio: 
as energias são quantizadas...
−i ℏ ∂
∂ t
=
ℏ2
2m
∂2
∂ x2
V 
En=−
me4
8ε0
2h2
1
n2=
−13,6eV
n2
● Equação:
● Solução:
– Estendida com aproximações para 
átomos de muitos elétrons...
Estados energéticos do elétron
● Na primeira camada o elétron está preso ao núcleo 
por uma energia de 13,6 eV. 
● Energia de ligação: 
E
L
=-13,6 eV 
A quantização da energia de 
alguns átomos
A quantização para um conjunto de átomos resulta em mais níveis de 
energia do que para um átomo sozinho. Acima tem-se um exemplo 
para apenas 12 átomos agregados e uma aproximação para os estados 
atômicos 1s e 2s. Na distância de equilíbrio entre os átomos ligados o 
nível de energia está desmembrada em vários níveis de energia.
A quantização da energia de vários 
átomos
● Níveis permitidos de energia para muitos átomos: 
Bandas de valência e condução com separação.
Propriedades dos materiais do ponto 
de vista das bandas de energia
● a) Metais; b) Metais com bandas superpostas; 
c) Isolantes; d) Materiais Semicondutores.
Bandas de energia num metal
● O nível de Fermi E
f
 num metal separa os estados preenchidos dos estados 
vazios a zero Kelvin. Uma mínima energia é suficiente para promover 
elétrons para um estado energético mais alto e alterar a condutividade.
Bandas de energia num semicondutor
Num semicondutor os estados eletrônicos preenchidos estão separados 
por uma diferença energética mais elevada do que nos metais. Assim, 
para fazer com que um material semicondutor conduza mais é preciso, 
teoricamente, fornecer certa energia aos elétrons para promovê-los a 
um estado que proporcione um aumento na condutividade do material.
Efeitos das impurezas no material puro
● Tem níveis de energia eletrônica bem definida dentro 
da banda originalmente proibida: impureza doadora.
● A condutividade pode aumentar consideravelmente.
Processos de geração de pares 
elétrons-lacunas num semicondutor
Semicondutores de silício
● tipo N: dopado com impureza pentavalente, ex.: Arsênio
● tipo P: dopado com impureza trivalente, ex.: Boro
Funcionamento do diodo: junção PN
● Dois materiais semicondutores tipo N e P são 
juntos e uma difusão de elétrons e lacunas ocorre.
● Após um certo tempo um equilíbrio é atingido e 
uma região de cargas fixas surge no diodo. 
Diodo PIN reversamente polarizado
● Aumento substancial da região de carga espacial => 
aumento do volume sensível do fotodiodo.
● Existem duas correntes: a de elétrons e a de lacunas
Detector de Germânio Hiper Puro
HP-Ge
Dispositivos eletrônicos como detector
● Fotodiodo
● Fototransistor
● MOSFET
Fototransistor
● Transparente
● Opaco – filtra a luz ambiente
Detector de modo ativo – tempo real
● A bateria gera um campo elétrico no sensor, quando 
ocorre interações a condutividade do material aumenta 
e a corrente elétrica também: o sinal no osciloscópio 
mostra a variação da corrente no resistor o qual está 
em série com o detector.
VB VR
VD
Calculando o sinal produzido:
VB = VD + VR
 I = VB / (RD + R)
 VR = R·I = R·VB / (RD + R)
 VR / VB = R / (RD + R) = ƒ
 ƒ = 1 / (1 + RD/R)
 VR = ƒ · VB 
Detector no modo passivo ou indireto
● Primeiro mede-se a condutividade do material
● Depois irradia o material
● Finalmente mede-se novamente a condutividade
Efeitos da radiação no material
● Interação (colisão): fótons – elétrons
● Processos de ionização e de excitação
● A probabilidade de interação é proporcional a Z
● A probabilidade de interação varia com E-1
● Interação (colisão): elétron – elétron
● Processos de ionização e excitação
● A probabilidade pode ser muito maior do que 
a interação fóton-elétron
Efeitos da radiação na matéria
Efeito da radiação num semicondutor
● Aumento da população de elétrons mais energéticos 
faz com que a condução elétrica do material aumente 
significativamente.
● Os elétrons promovidos aos níveis energéticos mais 
altos podem voltar (decair) para níveis energéticos 
mais baixos: processo de desexcitação eletrônica.
● Átomos ionizados sofrem processo de desexcitação: 
por elétrons de camadas e subcamadas mais altas 
decaindo e emitindo raios X característicos.
Desexcitação eletrônica
● Quando os elétrons decaem de um nível de energia 
mais alto para um mais baixo ocorre uma perda de 
energia sob forma de radiação eletromagnética: os 
fótons. A energia de um fóton emitido é a diferença 
de um nível mais alto e outro mais baixo: Ef=E2-E1.
● Quando os fótons são provenientes de centros 
luminescentes, se houver uma população 
significativa de elétrons nesses níveis, então haverá 
uma quantidade significativa de fótons emitidos 
com a mesma energia, i.e., mesmo λ e o efeito pode 
sensibilizar os detectores significativamente.
Esquema da cintilação
● O tempo de resposta para decaimento do elétron 
dum estado para outro é muito curto (ns). 
Analisador de espectro das radiações
Cada pulso gerado no resistor é medida a altura
Cada altura de pulso é registrada numa memória contadora
Os valores de cada memória são mostrados na tela
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