Evaluation of noise performance and Gq on DEPFET
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Interne Verstärkung und Rauschverhalten von DEPFET Pixelsensoren DPG Frühjahrstagung Freiburg, 03-07.03.2008 Stefan Rummel für die DEPFET Kollaboration 1 DPG Frühjahrstagung, Freiburg Stefan Rummel, MPI für Physik 1/12 Überblick DEPFET Prinzip DEPFET als Vertexdetektor für ILC DEPFET intrinsisches Rauschen bei hoher Bandbreite Interne Verstärkung Gq – Skalierungspotential Zusammenfassung - Ausblick 2 DPG Frühjahrstagung, Freiburg Stefan Rummel, MPI für Physik 2/12 DEPFET – Depleted Field Effect Transistor Verbindung von hochohmigen Basismaterial mit p-MOSFET Verstärker “APS” Potential Minimum unter dem Kanal mittels Seitwärtsdepletion und n-Dotierung Elektronen im “internen Gate” modulieren den Transistorstrom Ladung wird mittels Clear Kontakt entfernt ● Großes sensitives Volumen durch voll depletiertes Substrat ● Geringes Rauschen durch kleine Kapazität des Internen Gates ● Transistor kann mit dem externen Gate ausgeschaltet werden – Ladungssammlung weiterhin aktiv DPG Frühjahrstagung, Freiburg 3 Stefan Rummel, MPI für Physik 3/12 DEPFET – Matrix operation gate DEPFET- matrix clear off off on on off off GATE SWITCHER CLEAR SWITCHER nxm pixel off off VGATE, ON IDRAIN VGATE, OFF drain VCLEAR, ON VCLEAR, OFF FRONTEND 0 suppression output ●Spaltenparalleles Design für schnelle Auslese ●Auslese Zeilenweise – Sample–Clear–Sample – kein Ladungstransfer ●Geringe Leistungsaufnahme – nur eine Zeile während Auslese aktiv 4 DPG Frühjahrstagung, Freiburg Stefan Rummel, MPI für Physik 4/12 DEPFET als Vertexdetektor für ILC Θ) • IP - Auflösung: d 5 µm 10µm 3 p sin GeV c [Tesla TDR, LDC DOD] 2 Hohe Punktauflösung <5µm Materialbudget von 0.1% X0 je Lage DPG Frühjahrstagung, Freiburg 5 Stefan Rummel, MPI für Physik 5/12 Auslesegeschwindigkeit - Beamstrahlung Synchrotronstrahlung durch Streuung - Beamstrahlung e--e+ Paarerzeugung im EM-Feld des Strahls Mustererkennung erfordert geringe Besetzung <0.1% Implikationen für den Detektor: ●Hohe Framerate >20kHz (innerste Lage) >4kHz (Lage 2-5) ●Hohe Bandbreite ~ 50MHz 6 DPG Frühjahrstagung, Freiburg [LDC DOD] Stefan Rummel, MPI für Physik 6/12 Setup mit schnellem Verstärker First stage: TIA AD8015 10kΏ Second stage: AD8129 A=10 DEPFET Low pass filter Drain ADC -3dB R bias 39kΩ @ 110MHz Clear 7 DPG Frühjahrstagung, Freiburg Stefan Rummel, MPI für Physik 7/12 DEPFET – Rauschen bei hoher Bandbreite ENC bei 50MHz Rauschen <50eDEPFET intrinsisch rauscharm 8 DPG Frühjahrstagung, Freiburg Stefan Rummel, MPI für Physik 8/12 Externe Rauschquellen – Interne Verstärkung Interne Verstärkung gq: dI d 1 dI d pA 1 gq gq Id dQint Cint dU ext e Lgate Beitrag externe Rauschquellen hängt direkt mit der internen Verstärkung des DEPFET zusammen: Noiseexternal ENCexternal gq Um optimales S/N zu erreichen gilt es die interne Verstärkung gq zu maximieren! 9 DPG Frühjahrstagung, Freiburg Stefan Rummel, MPI für Physik 9/12 Gq für verschiedene Teststrukturen ●Gq verhält sich qualitativ wie erwartet ●für L=4µm gq nahezu 1nA/e 10 DPG Frühjahrstagung, Freiburg Stefan Rummel, MPI für Physik 10/12 Interne Verstärkung - Simulation @ 50µA drain current Assuming an under etching of 1.2micron • Gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Messung! • L Gate ist der wichtigste Parameter um das Gq zu erhöhen! DPG Frühjahrstagung, Freiburg 11 Stefan Rummel, MPI für Physik 11/12 Ausblick - Zusammenfassung ●Intrinsisches Rauschen des DEPFET <50e- bei 50MHz Bandbreite ●Interne Verstärkung von bis zu 1nA/e möglich, weiteres Potential vorhanden ●DEPFET sehr guter Kandidat für den ILC Vertexdetektor 12 DPG Frühjahrstagung, Freiburg Stefan Rummel, MPI für Physik 12/12 ENCinternal H( f ) I out RMS gq 1 gq 21 cos( 2x cds ) 2 3 kTgm H ( f ) df 2 0 2 f (1 ) fc 13 DPG Frühjahrstagung, Freiburg Stefan Rummel, MPI für Physik 13/12
