Strahlenschäden bei Silizium-Halbleiterdetektoren
Unai Fischer AbaigarBetreuer: Markus Gabrysch, Michael Moll
Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt
CERN 7. - 19. Oktober 2012
Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 2
LHC : Beispiel CMS
30 cm 93 cm
Innerer DetektorCMS
Pixeldetektor
Durch die räumliche Nähe zum Kollisionspunkt sind die Detektoren starker Strahlung ausgesetzt.
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Pixel und Streifen
1013 5 1014 5 1015 5 1016
eq [cm-2]
5000
10000
15000
20000
25000
sign
al [
elec
tron
s]
n-in-n (FZ), 285m, 600V, 23 GeV p p-in-n (FZ), 300m, 500V, 23GeV pp-in-n (FZ), 300m, 500V, neutrons
p-in-n-FZ (500V)n-in-n FZ (600V)
M.Moll - 08/2008
References:
[1] p/n-FZ, 300m, (-30oC, 25ns), strip [Casse 2008][2] n/n-FZ, 285m, (-10oC, 40ns), pixel [Rohe et al. 2005]
FZ Silicon Strip and Pixel Sensors
strip sensorspixel sensors
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Verschlechterung des Detektorsignals
fluence: Anzahl der bisherigen Teilchen pro Flächeneinheit ()
Streifen: max. fluence(LHC)
Pixel: max. fluence(LHC)
1013 5 1014 5 1015 5 1016
eq [cm-2]
5000
10000
15000
20000
25000
sign
al [
elec
tron
s]
n-in-n (FZ), 285m, 600V, 23 GeV p p-in-n (FZ), 300m, 500V, 23GeV pp-in-n (FZ), 300m, 500V, neutrons
p-in-n-FZ (500V)n-in-n FZ (600V)
M.Moll - 08/2008
References:
[1] p/n-FZ, 300m, (-30oC, 25ns), strip [Casse 2008][2] n/n-FZ, 285m, (-10oC, 40ns), pixel [Rohe et al. 2005]
FZ Silicon Strip and Pixel Sensors
strip sensorspixel sensors
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Verschlechterung des Detektorsignals: Luminositätsupgrade
fluence: Anzahl der bisherigen Teilchen pro Flächeneinheit ()
Streifen: max. fluence(LHC); max. fluence(sLHC)
Pixel: max. fluence(LHC); max. fluence(sLHC)
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Funktionsprinzip Halbleiterdetektor
Ziel ist es, mit möglichst genauer Auflösung Teilchenbahnen zu messen.
Ionisierende Strahlung erzeugt im Detektor Elektronen-Loch Paare, die wandern und einen Strom induzieren.
Grundsätzlich ist ein solcher Detektor nichts anderes als eine Diode in Sperrrichtung.
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Dotierung
Si
Si SiSi
Si
Si
Si Si
Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
Si Si
Si
Si
Si
Si
Bandlücke = 1.1 eV
Leitungsband
Valenzband
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n-Dotierung
Durch die Verunreinigung des Siliziums, wird ein Zwischenniveau in der Bandlücke eingefügt. Es wird wahrscheinlicher, dass ein Elektron auf das Leitungsband kommt.
Si
Si Si
Si
Si
Si
Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
P
P
P
Leitungsband
Valenzband
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p-Dotierung
Positive Löcher
Si
Si Si
Si
Si
Si
Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
B Si
SiSi
Si
Si
Si
B
B
Leitungsband
Valenzband
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pn-Übergang
Spannung
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pn-Übergang (mit Spannung)
Durch Anlegen einer Spannung, lässt sich die Verarmungszone vergrößern. Die Spannung die benötigt wird, um den ganzen Detektor zu verarmen, heisst „Depletion Voltage“.
2
0
0
2dN
qV effdep
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Test-Detektoren
Diese Detektoren dienen nur zum Testen, sie werden nicht verbaut.
n
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Strahlenbelastung: „charge trapping‘
Beim Wandern durch den Detektor, werden manche Ladungsträger in Störstellen eingefangen. Nach einiger Zeit werden diese wieder freigegeben („detrapping“).Alle 25ns wird die Ladung ausgelesen -> detrapping braucht länger.
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Aufbau
Laser (rot, infrarot)
Detektor
Hochspannung
Abschliessende Box
Kühlung
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Aufbau
Laser (rot, infrarot)
Detektor
Hochspannung
Abschliessende Box
Kühlung
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Aufbau
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Aufbau
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Infrarot Messung
Trigger für Laser (Oszilloskop)
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Messung mit Infrarotlaser
Beispiel Photodiode
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Messung mit Infrarotlaser
Beispiel bestrahlter Detektor
charge trapping
Spannung: -50V
Bei der Messung wurden Temperatur, angelegte Spannung und Dauer des Laserpuls variiert.
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Fitten mit „Matlab“
Versuch eine Funktion für die Beschreibung des ‚detrapping‘ zu finden. (Unter Annahme eines exponentiellen Abfalls).
10 Messungen übereinander
Annahme Strom proportional zu n
𝑑𝑛𝑑𝑡
=− 𝑛𝜏
❑⇒
𝑛 (𝑡 )=𝐴 ∙𝑒(− 𝑡
𝜏)
𝐼 (𝑡 )=𝑎 ∙𝑒(− 𝑡
𝜏)
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Fazit...