Semiconductor (solid state) detectors

78
Semiconductor (solid state) detectors 1. Introduction 2. Principle of semiconductors 3. Silicon detectors, p-n junction, depleted region, induced charge 4. energy measurement, germanium detectors 5. position measurement, silicon strip detectors, pixel detectors silicon drift detectors 6. DEPFET 7. Photon detectors, APD, SiPM 8. 3D detectors J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 1

description

Semiconductor (solid state) detectors. Introduction Principle of semiconductors Silicon detectors, p-n junction, depleted region, induced charge energy measurement, germanium detectors position measurement, silicon strip detectors, pixel detectors - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of Semiconductor (solid state) detectors

Page 1: Semiconductor (solid state) detectors

Semiconductor (solid state)detectors

1. Introduction

2. Principle of semiconductors

3. Silicon detectors, p-n junction, depleted region, induced charge

4. energy measurement, germanium detectors

5. position measurement, silicon strip detectors, pixel detectors silicon drift detectors6. DEPFET

7. Photon detectors, APD, SiPM

8. 3D detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

1

Page 2: Semiconductor (solid state) detectors

1. Introduction

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

2

Page 3: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

3

Page 4: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

4

Page 5: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

5

Page 6: Semiconductor (solid state) detectors

Principle of semiconductors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

6

Page 7: Semiconductor (solid state) detectors

hole conduction

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

7

Page 8: Semiconductor (solid state) detectors

8

Page 9: Semiconductor (solid state) detectors

-E -

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

9

Page 10: Semiconductor (solid state) detectors

electron concentrationg(E) - density of electron state in the conduction band f(E) g( E) – electron concentration⦁ lowest energy level in the conduction band g() ≡ density of electron states in the lowest energy level

approximation : f ≈

electron concentration in the lowest energy level hole concentration - density of hole state in the highest energy level of the valence band hole concentration in the highest energy level

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

10

Boltzmann constant k ≈ 8.6 ⦁ eV ⦁ E-

Page 11: Semiconductor (solid state) detectors

= -

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

11

Page 12: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

12

= =

μ mobility, E external electric field

Current : J = e + = σ E, σ - conductivity R = 1/σ - resistivity

μ𝑒

Page 13: Semiconductor (solid state) detectors

13

i) Direct recombination

Recombination and trapping of the charge carriers

ii) Recombination resulting from impurities in the crystal

a)

b)

iii) Trapping resulting from impurities in the crystal

iv) Structural defects in the lattice

Page 14: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

14

3. Silicon semiconductors, p – n junctionSi:

Page 15: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

15

Page 16: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

16

n- type semiconductor

Page 17: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

17

Page 18: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

18

p- type semiconductor

Page 19: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

19

Page 20: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

20

Page 21: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

21

Page 22: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

22

Page 23: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

23

Page 24: Semiconductor (solid state) detectors

24

Approximation of charge densities

Concentration of acceptors

Concentration of donors

Maxwell equations:

Page 25: Semiconductor (solid state) detectors

25

Page 26: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

26

Using resistivity of n-type

d=

d=

𝑹𝒏𝑹𝒑

R

For R≈ 20 000d= 75 μm

For reversed bias V= d ~ 300 μm

R = 1/(e + ) in n-type, = 0

Page 27: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

27

over-dopped p-type

dd

d

d

Page 28: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

28

Page 29: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

29

depletion region HV

Ohmic contact : direct metal – p-type not possible, because of the barrier between metal and p-type instead heavily doped p-type and then a metal

metal

Page 30: Semiconductor (solid state) detectors

30

Induced charge

Q - charge in the depletion region

page 25:

but different coordinate frame, zero at the junction

x ⟶ x - , ≡ d, E=-dV/dx

d - thickness of the depletion region

,resistivity R=1/( )

ε ⦁R

𝑡𝑑

Page 31: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

31

𝑞h (𝑡 )=¿

t ⟶

(

Induced charge at

i.e. If x(t) =0

Page 32: Semiconductor (solid state) detectors

32

Ex. /pair

a good preamplifier needed, low noice

Page 33: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

33

DC direct coupling, AC

Page 34: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

34

4. Energy measurementConstruction of p-n junctions

• Diffused junction diode: diffusion of donors to p-type at the temperature 1000 C

• Surface barrier junction: junction between a semiconductor and a metal n-type Si with Au, p-type Si with Al sensitive to light

• Ion-implanted junctions: a substrate is bombarded by ions from an accelerator

Depleted region small ⟹ energy measurement for low energies

Page 35: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

35

Guard ring

Page 36: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

36

Page 37: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

37

Compensating materials developed to increase the depletion region by lithium drifting process known as p-i-n junction

Li diffused to p-type, a narrow n-type is created electrons drifted to p-type, negative space charge application of HV ⟶ positive Li ions drifted to p-type for sufficient time to create

⟹ the same concentration of positive ions and electrons t ⟹ no space charge, i.e. compensated region resistivity up to 100 000 Ω width of compensating region 10-15 mm Si(Li) , the noise is much greater then in normal Si cooling is needed

Page 38: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

38

Energy resolutionFluctuation of energy losses in the depleted region

Landau fluctuation

most probable energy loss

Page 39: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

39

Germanium detectors suitable for γ detection,

Resolution at 1.33 Mev Ge detector 0.15 % NaI 8 %

-- High purity germanium (PHGe), depletion region~ cm, low temperature during - measurement only

Page 40: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

40

Shape of Ge detectors - planar, circular shape, diameter 1-2 cm, volume 10-20 coaxial , volume up to 400

Page 41: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

41

5. Position measurement, silicon strip and pixel detectors

i) Manufacturing of Si strip detectors

ii) Microstrip detectors

iii) Position resolution

iv) Pixel detectors

v) Silicon drift detectors

Page 42: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

42

i)

Page 43: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

43

Page 44: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

44

Page 45: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

45

R

ii)

Page 46: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

46

Page 47: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

47

Page 48: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

48

Page 49: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

49

iii)

Page 50: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

50

Page 51: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

51

Page 52: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

52

analog readout

Page 53: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

53

iv)

Page 54: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

54

Advantages and disadvantages

Page 55: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

55

Page 56: Semiconductor (solid state) detectors

56

Page 57: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

57

v)

Page 58: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

58

Page 59: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

59

Page 60: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

60

Application of strip, pixel and pad detectors

Trackers: precise determination of particle tracks (strips or pixels)Vertex detectors: in collider experiments, detectors situated around the interaction vertex

Topology: sensors mounted on a planar carbon frames or cylindrical carbon frames

Calorimeters: as active layers in sampling calorimeters

Page 61: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

61

forward and backward silicon tracker of the H1 experimentCollider HERA, DESY Hamburg, electrons (~26 GeV) vs protons (920 GeV) several layers of circular planes equipted with strip sensors

Interaction vertex

Beam pipe

electrons

protons

Emitted particle

electronics

Si sensors

sensor

particle

Page 62: Semiconductor (solid state) detectors

62

Pad silicon detectors for the readout of the electromagnetic calorimeter CALICE

SiSi wafers 6 x 6 cm, 1 pad 1x1 cm, depletionregion 500 μm

calorimeter: absorber tungsten, active layers from Si wafers electronic layer above active layer

(calorimeter for linear collider)

W - layerSi wafers

readout board

Page 63: Semiconductor (solid state) detectors

63

5. DEPFET

Bipolární tranzistor:

Nepřipojený k obvodu Připojený k obvodu

emitor báze kolektor

Page 64: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

64

FET tranzistor

Polem řízené (neboli unipolární či FET) tranzistory spínají/omezují protékající proud na základě toho, jaké napětí je na „drain“

řídicí se nazývá gate a značí se "G",spínaný proud vstupuje do drainu "D" avystupuje z source "S".

Tři jednotky FETu:

drain je zde jako kolektor, source jako emitor a gate jako báze

Page 65: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

65

FET

Proud teče mezi S a D mezi nimiž je napětí.Napětí na D mění vodivost substrátu, tj proud teče/neteče

Zdroj proudu je S, výstupní proud je v D.

Page 66: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

66

DEPFET je FET vytvořený na plně vyčerpanén substrátu. Působí současně jako senzor a zesilovač

Page 67: Semiconductor (solid state) detectors

67

Top gate

P –channel FET on a fully depleted n-bulk

𝑛+¿ ¿

n-Si

Page 68: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

68

electrons from photon are collected at the internal gate the energy deposited by a photon is determined by the change of the FET conductivity

Page 69: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

69

clear mode - change of the FET conductivity,

This difference ~to the total amount of collected charge

Page 70: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

70

7. Semiconductor photon detectors APD - avalanche photodiodereplace e.g. photomultipliers in calorimeters, very small devices,can be connected with fibers

Usual photodiode

Page 71: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

71

avalanche photodiode

Page 72: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

72

Page 73: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

73

HAPD - hybrid APD

Page 74: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

74

SiPM Silicon Photon Multipliers

1156 photodiodes on the area 1.1 x 1.1

depletion region

Page 75: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

75

SiPM detects individual photons, current ~ to the number of fired pixels

Page 76: Semiconductor (solid state) detectors

76

Hadron calorimeter

Scintillation light from the tile is collected by a WLS fiber which is directly connected to a SIPM.

WLS fibre

SiPM were first developed for the readout of scintillation light of the hadron calorimeter within CALICE collaboration

Page 77: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

77

(pixel ≡ photodiode)Pedestal ≡ noise

Page 78: Semiconductor (solid state) detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

78

3D detectors