Strahlenschäden bei Silizium-Halbleiterdetektoren Unai Fischer Abaigar Betreuer: Markus Gabrysch,...
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Strahlenschäden bei Silizium-Halbleiterdetektoren
Unai Fischer AbaigarBetreuer: Markus Gabrysch, Michael Moll
Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt
CERN 7. - 19. Oktober 2012
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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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Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 3
Pixel und Streifen
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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
Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 4
Verschlechterung des Detektorsignals
fluence: Anzahl der bisherigen Teilchen pro Flächeneinheit ()
Streifen: max. fluence(LHC)
Pixel: max. fluence(LHC)
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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
Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 5
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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Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 6
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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Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 7
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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Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 8
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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Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 9
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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Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 10
pn-Übergang
Spannung
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Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 11
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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Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 12
Test-Detektoren
Diese Detektoren dienen nur zum Testen, sie werden nicht verbaut.
n
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Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 13
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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Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 14
Aufbau
Laser (rot, infrarot)
Detektor
Hochspannung
Abschliessende Box
Kühlung
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Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 15
Aufbau
Laser (rot, infrarot)
Detektor
Hochspannung
Abschliessende Box
Kühlung
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Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 16
Aufbau
![Page 17: Strahlenschäden bei Silizium-Halbleiterdetektoren Unai Fischer Abaigar Betreuer: Markus Gabrysch, Michael Moll Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt CERN.](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022070310/55204d8249795902118d5638/html5/thumbnails/17.jpg)
Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 17
Aufbau
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Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 18
Infrarot Messung
Trigger für Laser (Oszilloskop)
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Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 19
Messung mit Infrarotlaser
Beispiel Photodiode
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Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 20
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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Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 21
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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Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 22
Fazit...