Halbleiterdetektoren2

Halbleiterdetektoren
Michael Schwander
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Inhalt
 Mögliche Funktionsweise
 Vergleich mit anderen Detektoren
 Struktur von Halbleitern
 Reeller Aufbau
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2
Wie wird detektiert?
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Gas vs. Festkörper
 Bethe-Bloch Beziehung

dE
z ²e   2me v ² 



 4N

ln
1


²


²
ln 


dx
me v ²   I 

4
 Idealen Gasgleichung
PV  NkbT
 Für einen cm³ folgen 2,4*1020 Teilchen
 Atomvolumen von Si 12,1cm³/mol
 Für einen cm³ folgen 5,0*1022
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4
Gas vs. Festkörper
2
 

I  9,1Z 1  1,9Z 3 eV


 Argon Z=18
 Si Z=14
I  210eV
I  170eV
 Energieverlust 2*10² größer im Festkörper
 Nur Anregung von Elektronen
 Si ≈ 3,6 eV
 Argon ≈ 15,8 eV
 9*10² mehr Elektronen im Festkörper
 Bzw. 1 Gaselektron kommen 900 Festkörperelektronen
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Gas vs. Festkörper
 Welche Spannung wirken
 Gas ohne Verstärkung ca. 107 V/mm
 Gas mit Verstärkung über 109 V/mm
 Festkörper ca. 102 V/mm
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Gas vs. Festkörper
 Schwierigkeiten bei Gas:




Verformung der Drehte
Extrem hohe Feldstärken
Ungenaue Ordsauflösung
Schlechter dE/dx Term
 Vorteile:
 Leicht austauschbares Medium
 Geringere Kosten
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Gas vs. Festkörper
 Schwierigkeiten im Festkörper
 Hohe reinheitsgrade zu erzeugen
 Teure Materialien
 Vorteile:




Extrem hohe Auflösung
Viele Elektronen pro Teilchen
Integration der Auslesetechnik möglich
Kurze Messzeiten 10ns
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8
Was für Festkörper?
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Metalle/Halbleiter/Isolatoren?
 Pauliprinzip
 Grund für Energieniveaus
 Diskrete Energieniveaus
En , j




Z ² ²  1
3 


 En 1 

n  j  1 4n  




2




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Metalle/Halbleiter/Isolatoren?
• Schematische Darstellung der Bänder
Energielücke
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Metalle/Halbleiter/Isolatoren?
 Fermi-Dirac Verteilung
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F( E ,T ) 
1
1 e
E  EF
K BT
12
Fermi-Niveau
N( E )
3
2
e
8 2m

3
h
1
F( E ,T ) 

E  Ec
1 e
E  EF
K BT
n   N ( E ) * F( E ) dE
 Nc * e
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 E F  EC

 K BT



Ec
 EV  E F

 K BT
p  NV * e



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Fermi-Niveau
 Intrinsischer Halbleiter
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14
Fermi-Niveau
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15
Fermi-Niveau
N - Dotierung
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16
Fermi-Niveau
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Halbleiterdetektor
 Erkenntnis!
 Detektor muss Halbleiter sein
 Prinzipieller Aufbau bis jetzt
Kathode
Halbleiter
Anode
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Reeller Halbleiterdetektor
 Schwierigkeiten:
 Bei T > 0
 Existenz eines Dunkelstroms
 Lösung:
 p/n Übergang
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p/n -Übergang
-xl
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xr
20
p/n -Übergang
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21
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22
p/n -Übergang
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Silizium-Streifen-Detektoren
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Pixel-Detektoren
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206m²
5,4m
2,4m
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CMS 2007
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Weitere Aspekte von Halbeitern
 Lebensdauer
 Degradation
 Produktion
 Vergleich mit Solarzelle
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ENDE!
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