Semiconductor (solid state) detectors
description
Transcript of 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
1. Introduction
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
2
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
3
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
4
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
5
Principle of semiconductors
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
6
hole conduction
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
7
8
-E -
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
9
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-
= -
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
11
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
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
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
14
3. Silicon semiconductors, p – n junctionSi:
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
15
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
16
n- type semiconductor
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
17
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
18
p- type semiconductor
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
19
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
20
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
21
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
22
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
23
24
Approximation of charge densities
Concentration of acceptors
Concentration of donors
Maxwell equations:
25
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
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
27
over-dopped p-type
dd
d
d
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
28
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
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
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
31
𝑞h (𝑡 )=¿
t ⟶
(
Induced charge at
i.e. If x(t) =0
32
Ex. /pair
a good preamplifier needed, low noice
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
33
DC direct coupling, AC
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
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
35
Guard ring
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
36
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
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
38
Energy resolutionFluctuation of energy losses in the depleted region
Landau fluctuation
most probable energy loss
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
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
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
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
42
i)
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
43
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
44
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
45
R
ii)
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
46
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
47
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
48
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
49
iii)
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
50
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
51
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
52
analog readout
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
53
iv)
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
54
Advantages and disadvantages
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
55
56
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
57
v)
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
58
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
59
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
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
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
63
5. DEPFET
Bipolární tranzistor:
Nepřipojený k obvodu Připojený k obvodu
emitor báze kolektor
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
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.
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
66
DEPFET je FET vytvořený na plně vyčerpanén substrátu. Působí současně jako senzor a zesilovač
67
Top gate
P –channel FET on a fully depleted n-bulk
𝑛+¿ ¿
n-Si
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
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
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
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
71
avalanche photodiode
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
72
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
73
HAPD - hybrid APD
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
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
75
SiPM detects individual photons, current ~ to the number of fired pixels
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
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
77
(pixel ≡ photodiode)Pedestal ≡ noise
J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky
78
3D detectors