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Strahlenschäden bei Silizium-Halbleiterdetektoren PowerPoint PPT Presentation


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Unai Fischer Abaigar Betreuer: Markus Gabrysch , Michael Moll. Strahlenschäden bei Silizium-Halbleiterdetektoren. Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt CERN 7. - 19. Oktober 2012. LHC : Beispiel CMS. CMS. I nnerer Detektor. Pixeldetektor. 93 cm. 30 cm.

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Strahlenschäden bei Silizium-Halbleiterdetektoren

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Presentation Transcript


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

Unai Fischer Abaigar

Betreuer: Markus Gabrysch, Michael Moll

Strahlenschäden bei Silizium-Halbleiterdetektoren

Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt

CERN7. - 19. Oktober 2012


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

LHC : Beispiel CMS

CMS

InnererDetektor

Pixeldetektor

93 cm

30 cm

Durch die räumliche Nähe zum Kollisionspunkt sind die Detektoren starker Strahlung ausgesetzt.

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 1


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

Pixel und Streifen

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 2


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

Verschlechterung des Detektorsignals

Pixel: max. fluence(LHC)

fluence: Anzahl der bisherigenTeilchen pro Flächeneinheit()

Streifen: max. fluence(LHC)

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 3


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

Verschlechterung des Detektorsignals: Luminositätsupgrade

Pixel: max. fluence(LHC); max. fluence(sLHC)

fluence: Anzahl der bisherigenTeilchen pro Flächeneinheit()

Streifen: max. fluence(LHC); max. fluence(sLHC)

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 4


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

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.

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 5


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Dotierung

Leitungsband

Bandlücke = 1.1 eV

Valenzband

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 6


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

n-Dotierung

Si

Si

Si

Si

Si

P

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

P

P

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Leitungsband

Valenzband

Durch die Verunreinigung des Siliziums, wird ein Zwischenniveau in der Bandlücke eingefügt. Es wird wahrscheinlicher, dass ein Elektron auf das Leitungsband kommt.

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 7


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

B

Si

Si

Si

Si

B

B

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

p-Dotierung

Leitungsband

Valenzband

Positive Löcher

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 8


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

pn-Übergang

Spannung

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 9


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

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“.

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 10


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

Test-Detektoren

n

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

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 11


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

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.

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 12


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

Aufbau

Abschliessende Box

Laser (rot, infrarot)

Detektor

Hochspannung

Kühlung

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 13


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

Aufbau

Abschliessende Box

Laser (rot, infrarot)

Detektor

Hochspannung

Kühlung

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 14


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

Aufbau

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 15


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

Aufbau

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 16


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

Infrarot Messung

Trigger für Laser (Oszilloskop)

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 17


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

Messung mit Infrarotlaser

Beispiel Photodiode

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 18


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

Messung mit Infrarotlaser

BeispielbestrahlterDetektor

Spannung: -50V

charge trapping

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

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 19


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

Fitten mit „Matlab“

10 Messungenübereinander

Annahme Strom proportional zu n

Versuch eine Funktion für die Beschreibung des ‚detrapping‘ zu finden. (Unter Annahme eines exponentiellen Abfalls).

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 20


Strahlensch den bei silizium halbleiterdetektoren

Fazit...

Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 21


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