Strahlenschäden bei Silizium-Halbleiterdetektoren

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.


Pixel und Streifen

1013 5 1014 5 1015 5 1016

eq [cm-2]

5000

10000

15000

20000

25000

sign

al [e

lect

rons

]

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


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

signa

l [el

ectro

ns]

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


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)


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.


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


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


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


pn-Übergang

Spannung


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

2dNqV effdep


Test-Detektoren

Diese Detektoren dienen nur zum Testen, sie werden nicht verbaut.

n


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.


Aufbau

Laser (rot, infrarot)

Detektor

Hochspannung

Abschliessende Box

Kühlung


Aufbau


Infrarot Messung

Trigger für Laser (Oszilloskop)


Messung mit Infrarotlaser

Beispiel Photodiode


Messung mit Infrarotlaser

Beispiel bestrahlter Detektor

charge trapping

Spannung: -50V

Bei der Messung wurden Temperatur, angelegte Spannung und Dauer des Laserpuls variiert.


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

(− 𝑡𝜏 )

𝐼 (𝑡 )=𝑎 ∙𝑒(− 𝑡𝜏 )


Fazit...

Strahlenschäden bei Silizium-Halbleiterdetektoren

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