Когда заряженная частица теряет свою энергию в твердом теле, а не в газе, происходят процессы, похожие на ионизацию и возбуждение. Однако в большинстве твердых или жидких тел образовавшиеся электрические заряды не могут быть перенесены на заметные расстояния и, следовательно, не могут служить основой для электрического сигнала. Есть одна категория твердых тел, которые являются исключением. Это полупроводниковые материалы, среди которых преобладают кремний и германий. В этих материалах заряды, созданные излучением, могут эффективно собираться на расстоянии многих сантиметров.
Электронная структура полупроводников такова, что при обычных температурах почти все электроны привязаны к определенным местам в кристаллической решетке и, как говорят, имеют энергию в валентной полосе. В любой момент времени несколько электронов, получив достаточную тепловую энергию, отрываются от локализованных участков и называются электронами проводимости; их энергия лежит в более высокой полосе проводимости. Поскольку для освобождения электрона от его обычного места в ковалентной решетке кристалла необходимо затратить определенную энергию, существует зазор, который отделяет связанные валентные электроны от свободных электронов проводимости. В чистых кристаллах ни один электрон не может иметь энергию в пределах этого зазора. В кремнии полосовой промежуток составляет около 1,1 эВ, а в германии — около 0,7 эВ. В идеальных материалах при температуре абсолютного нуля все электроны теоретически должны быть привязаны к определенным участкам решетки, так что валентная полоса будет полностью заполнена, а полоса проводимости пуста. Тепловая энергия, доступная при обычных температурах, позволяет некоторым электронам освобождаться от определенных участков и подниматься через полосовой промежуток в полосу проводимости. Таким образом, на каждый существующий электрон проводимости приходится электрон, отсутствующий в обычно занятом валентном месте. Эта электронная вакансия называется дыркой, и во многих отношениях она ведет себя так же, как точечный положительный заряд. Если электрон перескакивает с соседней связи, чтобы заполнить вакансию, дырку можно представить как движущуюся в противоположном направлении. Оба
При прохождении энергичной заряженной частицы через полупроводник энергия передается электронам, большинство из которых являются связанными электронами в валентной зоне. Энергии может быть передано достаточно, чтобы перевести валентный электрон в полосу проводимости, в результате чего образуется электронно-дырочная пара. В полупроводниковых детекторах электрическое поле присутствует во всем активном объеме. Последующий дрейф электронов и дырок к электродам на поверхности полупроводникового материала генерирует импульс тока примерно так же, как движение ионных пар в заполненной газом ионной камере.
Минимальная энергия перехода, необходимая для создания электронно-дырочной пары, равна энергии зазора около 1 эВ. Экспериментальные измерения показывают, что, как и при образовании ионной пары в газе, для образования электронно-дырочной пары требуется в среднем примерно в три раза больше минимальной энергии. Так, заряженная частица с энергией 1 МэВ, потерявшая всю свою энергию в полупроводнике, создаст около 300 000 электронно-дырочных пар. Это число примерно в 10 раз больше, чем число ионных пар, которые были бы образованы той же частицей в газе. Как следствие, пакет зарядов для эквивалентной потери энергии падающей частицей в 10 раз больше, что улучшает соотношение сигнал/шум по сравнению с ионной камерой импульсного типа. Более значительным является улучшение энергетического разрешения. Статистические флуктуации числа носителей заряда за импульс (которые часто ограничивают энергетическое разрешение) становятся меньше по мере увеличения общего числа носителей. Таким образом, полупроводниковые детекторы обеспечивают наилучшее энергетическое разрешение среди обычных детекторов, а значения в несколько десятых процента не являются редкостью.
Еще одно преимущество обусловлено тем, что среда обнаружения представляет собой твердое тело, а не газ. В твердых телах радиус действия тяжелых заряженных частиц, таких как альфа, составляет всего десятки или сотни микрометров, в отличие от нескольких сантиметров в газах при атмосферном давлении. Поэтому вся энергия частицы может быть поглощена в относительно тонком детекторе. Что еще более важно, на практике возможно полное поглощение быстрых электронов, таких как бета-частицы. В отличие от метров в газах, в твердых телах быстрые электроны проходят расстояние всего в несколько миллиметров, и можно изготовить полупроводниковые детекторы, толщина которых превышает этот диапазон. Поэтому для измерения энергии излучения быстрых электронов можно использовать спектроскопические методы.
