Halbleiterdetektoren 1 Benno List Universität Hamburg Vorlesung “Detektoren für die Teilchenphysik” Teil 5 19.11.2007 B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 1 Literaturhinweise, Quellen Festkörperphysik N.W. Ashcroft and N.D. Mermin: Solid state physics, Philadelphia (CBS Publishing) 1976. – C. Kittel, Introduction to solid state physics (8th ed.), Hoboken (Wiley) 2005. – – H. Ibach und H. Lüth, Festkörperphysik. Einführung in die Grundlagen, Berlin (Springer) 2002. Halbleiterbauteile – S.M. Sze and K.K. Ng, Physics of semiconductor devices (3rd ed.), Hoboken (Wiley) 2007. Halbleiterdetektoren – G. Lutz, Semiconductor radiation detectors. Device physics, Berlin (Springer) 1999. Vorlesungen: M. Krammer: Detektoren, VL SS 07, http://wwwhephy.oeaw.ac.at/p3w/halbleiter/VOTeilchendetektoren.html. – G. Steinbrück: Detektoren in der Teilchenphysik, Uni Hamburg, WS 06/07. – B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 2 Einleitung: Halbleiterdetektoren in der HEP 1951: Einsatz von Ge-pn-Dioden als Detektoren (McKay) In der heutigen Teilchenphysik: ● Einsatz von Streifen- und Pixeldetektoren aus Silizium ● Sehr gute Ortsauflösung (5-100µm) – Schnell – Strahlenhart – ● Verbreitung zunehmend in anderen Feldern Synchrotronstrahlung – Medizintechnik – B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 3 Inhalt ● Heute: Motivation – Halbleiterphysik in 30 Minuten – (Silizium-) Streifendetektoren – ● Nächste Woche: Streifendetektoren: Signal/Rauschen, Ortsauflösung – Pixeldetektoren – Neue Detektorkonzepte – Strahlenschäden – B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 4 Motivation ● ● ● ● ● ● Schwere Quarks (c und b) und τ-Leptonen signalisieren häufig “interessante” Physik: t->b W+, H->bb / ττ, Z0->bb/ττ, etc. Charm- und Bottom-Hadronen und τ-Leptonen haben Lebensdauern im ps-Bereich (D0: 0.41ps, D+: 1.05ps, B0: 1.53ps, B+: 1.64ps, τ: 0.29ps) mit Flugstrecken im 100μm-Bereich: cτ=87...490μm Zerfallsteilchen von c,b-Mesonen und τ-Leptonen haben einen Versatz (Impakt-Parameter) von einigen 10μm Eine möglichst genaue Spurmessung nahe am Vertex ist nötig, um schwere Quarks nachzuweisen. Heutzutage Standard bei allen großen Teilchenphysik-Detektoren Mittel der Wahl: Silizium-Detektoren (Streifen oder Pixel) B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 5 Beispiel von CMS: pp->ttH, H->bb B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 6 Zoom B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 7 Ein echter Higgs-Candidat bei LEP B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 8 Funktionsweise von Silizium-Detektoren ● ● ● Diode in Sperrichtung, ca. 300μm dick Geladenes Teilchen erzeugt Elektron-Loch-Paare in Verarmungszone Impulse werden verstärkt und nachgewiesen Metallkontakte 25-100µm 300µm p+ n-Silizium, verarmt 25-500V n+ B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 9 Teil 1: Halbleiterphysik in 30 Minuten ● ● ● Bänder, Leitfähigkeit, effektive Masse, Zustandsdichte, FermiEnergie Dotierung, spezifischer Widerstand Der PN-Übergang B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 10 Bänder Erinnerung: Bei der Bildung von Festkörpern spalten die diskreten Energieniveaus der Hüllenelektronen einzelner Atome in Bänder auf, sobald sich die Atome so nahe kommen, dass ihre Elektronenhüllen überlappen. Energy levels of silicon atoms arranged in a diamond structure. Fig. 2.4 from Lutz B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 11 Bloch'sches Theorem ● ● ● Das Blochsche Theorem:Die Lösungen der Schrödingergleichung in einem periodischen Potential haben die Form ebener Wellen, multipliziert mit einer Funktion mit der Periodizität des Bravais-Gitters. Alternative Formulierung:Jedem Energieeigenzustand im periodischen Potential kann man einen Wellenvektor k zuordnen, so dass Ψ(r+R) = eik·R Ψ(r) für jeden Ortsvektor R im Bravais-Gitter gilt. Das bedeutet: Es gibt für die einzelnen Bänder Dispersionsrelationen, die eine Verbindung zwischen Wellenvektor (also Impuls) und Energie herstellen. B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 12 Zustandekommen der Bänder (a) Dispersionsrelation für ein freies Elektron ● (b) 2. Elektronpotential, verschoben um K ● (c) Aufhebung der Entartung am Kreuzungspunkt ● (d) Dispersionsrelation mit Bandlücken ● (e) Gefaltet in die erste Brillouin-Zone ● (f) Im periodischen Potential ● Aus Ashcroft&Mermin, Fig. 9.4 B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 13 Bandstruktur von Silizium ● Parabeln im 3D-Raum plus Aufhebung der Entartung aus Ashcroft&Mermin, Fig. 9.5 nach Sze, Fig. 5, verändert aus Ashcroft&Mermin, Fig. 9.5 B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 14 Leiter, Halbleiter, Isolatoren ● ● ● Elektrische Leitfähigkeit benötigt teilweise gefüllte Bänder; volle und leere Bänder tragen nicht zur Leitfähigkeit (elektrisch und thermisch) bei! Leiter: halb gefülltes Band, oder überlappende Bänder Halbleiter: Valenzband (oberstes gefülltes Band) und Leitungsband (unterstes leeres Band) sind nur durch eine geringe Bandlücke (~1eV) getrennt B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 15 Ladungsträger im Halbleiter ● ● ● ● Elektronen im Leitungsband sind Ladungsträger Fehlende Elektronen im Valenzband heißen Löcher und sind ebenfalls (positiv geladene) Ladungsträger Löcher sind ein quantenmechanisches Phänomen! Ein Loch ist nicht ein fehlendes Elektron an einem bestimmten Ort! (Vorzeichen der Hallspannung) Elektronen und Löcher (definierter Energie) haben definierte Impulse, sind nicht lokalisiert Sehr naïve Vorstellung!!! B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 16 Effektive Masse ● ● ● Für ein freies Elektron gilt E=p2/2m = ħ2k2/2m. In Analogie kann man die effektive Masse meff eines Elektrons in einem Band in der Nähe eines Minimums entlang einer Kristallrichtung definieren, so dass gilt: E = ħ2k2/2meff + EC . EC ist die untere Bandkante (C steht für conduction band, V für valence band). Analog kann man auch für Löcher eine effektive Masse definieren. Silizium: Elektronen: mn = 0.98 / 0.19 me (long/transv.) Löcher: mp = 0.16 / 0.49 me (leicht/schwer) nach Sze, Fig. 5, verändert B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 17 Besetzungswahrscheinlichkeit ● ● ● Elektronen folgen der Fermi-Dirac-Statistik. Die Besetzungswahrscheinlichkeit Fn(E) eines Zustandes der Energie E bei der Temperatur T beträgt also Fn(E) = 1/(1+exp ((E-EF)/kT)), wobei k die Boltzmann-Konstante und EF die Fermi-Energie ist. Besetzungswahrscheinlichkeit für Löcher: 1-Fn(E) Fp(E) = 1-Fn(E) = 1/(1+exp (-(E-EF)/kT)). Wichtige Zahl: kT=25,9 meV bei T=300K => Bandlücke Si: 1,12eV = 43,2 kT! B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 18 Fermi-Energie ● ● ● Intrinsischer Halbleiter (ohne Dotierung): Gesamtanzahl von Elektronen und Löchern muss gleich sein => Integral Zustandsdichte*Besetzungswahrscheinlichkeit muss gleich sein für Valenz- und Leitungsband => bestimmt die Fermi-Energie Fermi-Energie liegt fast genau in der Mitte zwischen den Bändern! Bänder Aus Sze, Fig. 14 B. List 19.11.2007 Zustandsdichte Besetzungswahrscheinlichkeit VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Ladungsträgerdichte Seite 19 Ladungsträgerdichte ● Die Ladungsträgerdichte ist das Integral über Besetzungswahrscheinlichkeit mal Zustandsdichte: n = 2 (2π mn kT/h2)3/2 exp (-(EC-EF)/kT)) = NC exp (-(EC-EF)/kT)) p = 2 (2π mh kT/h2)3/2 exp (-(E -E )/kT)) = NV exp (-(E -E )/kT)). F ● V F V Das Produkt n·p hängt nicht von der Fermi-Energie ab, sondern nur von der Bandlücke EG = EC -EV: n 2 = n·p = N · NV exp (-(E -E )/kT)) i C C V Dabei ist ni die intrinsische Ladungsträgerdichte. ● ● Mit der Definition der intrinsischen Energie Ei kann man schreiben: n = ni·exp (-(EF-Ei)/kT)) und p = ni·exp (-(Ei-EF)/kT)), dabei ist Ei = (EC + EV)/2 + 3kT/4 · ln(mp/mn) Silizium bei 300K: ni = 1.45·1010 cm-3 , EG = 1.12 eV. vergleiche Atomdichte: 5.0·1022 cm-3 => 3.4·1012 größer! B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 20 Drift und Mobilität ● ● ● ● Elektrisches Feld beschleunigt Ladungsträger Kollisionen mit Gitterdefekten bremsen sie wieder ab Resultat: Drift Für kleine Felder gilt: νn = -q·τC/mn E = -μn E Dabei ist: νn : Driftgeschwindigkeit, q: Ladung, τ C: mittlere Zeit zwischen Kollisionen, mn: effektive Masse der Elektronen, E : elektrische Feldstärke, μn: Mobilität der Elektronen ● Silizium (bei 300K): μn = 1450 cm2 / Vs μp = 450 cm2 / Vs B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 21 Lorentzwinkel ● ● ● ● Bei Magnetfeld senkrecht zum E-Feld: Lorentzkraft wirkt auf Ladungsträger FL = q v·B (v: Driftgeschwindigkeit, q: Ladung) mit v = µ·E folgt: tan θL = µH·B Die Mobilität ist eine etwas andere als beim Drift, namlich die Hall-Mobilität: µnH=1670 cm2/Vs für Elektronen, µpH= 370 cm2/Vs für Löcher B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 FL=qμEB θL FE=qE Seite 22 Diffusion ● ● ● ● Inhomogene Ladungstägerverteilungen führen zu Diffusion Diffusionsgesetz: Fn = -Dn ∇ n Fn ist der resultierende Fluss der Elektronen. Zusammen mit Drift: Strom Jn = qμn n E +q Dn ∇ n Einstein-Relation verbindet Diffusionskonstante Dn und Mobilität μn: Dn = kT/q · μn Nützliches Resultat: ● Für eine gaussische Ladungsverteilung wächst das σ mit σ(t) = sqrt (2 Dn (t+t0)), wobei t0= σ2(0)/2Dn B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 23 Halbleiter im Periodensystem ● ● ● ● Gruppe-IV-HL: Si, Ge 4 Valenzelektronen Gruppe III-V-HL: GaAs (3+5)/2 Valenzelektr. Gruppe III: 3 Elektronen => 1 Loch “Akzeptoren” Gruppe V: 5 Elektronen => 1 Leitungselektron “Donatoren” http://www.pci.unizh.ch/e/documents/Periodensystem.jpg B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 24 Eigenschaften von Silizium Ordnungszahl Z Atomgewicht A Gitterkonstante a Dichte ρ Bandlücke Eg bei 300K Bandlücke Eg bei 0K Dielektrizitätskonstante ε Schmelzpunkt Effektive e-Masse mn Effektive Loch-Masse mp 1,12 eV 1,17 eV 11,9 1415 ˚C 0,98 / 0,19 me 0,16 / 0,49 me Eff. Zustandsdichte im LB nCB 3·1019 cm-3 Eff. Zustandsdichte im VB nVB 1·1019 cm-3 Mobilität der Elektronen μn bei 300K Mobilität der Löcher μp bei 300K Intrins. Ladungsträgerdichte bei 300K Intrins. Widerstand bei 300K 1450 cm2 / Vs 450 cm2 / Vs 1,45·1010 cm-3 230 kΩ cm Mittlere Energie für eh-Paarerzeugung Min. Energieverlust (dE/dx)min 1,664 MeV/(g/cm2) Strahlungslänge X0 21,82 g/cm2 Wechselwirkungslänge λI B. List 19.11.2007 Silizium 14 28,086 5,431 Å 2,328 g/cm3 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 3,62 eV 106 g/cm2 Seite 25 Dotierung ● Dotierung: Geringe Beigaben von Elementen der Gruppen III (Akzeptoren, liefern Löcher, bzw. – Gruppe V (Donatoren, liefern Leitungselektronen) – ● ● Erhöht Ladungsträgerdichte Ein Ladungsträgertyp überwiegt Gruppe III: Akzeptoren (z.B. Bor) B. List 19.11.2007 Gruppe V: Donatoren (z.B. Phosphor) VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 26 Dotierung im Bändermodell ● ● ● Donatoren: zusätzliche, volle Zustände nahe am Leitungsband => (viel) mehr freie Elektronen als Löcher: “n-Leiter” Akzeptoren: zusätzliche, leere Zustände nahe am Valenzband => (viel) mehr Löcher als Leitungselektronen: “p-Leiter” Geringe Beigaben von Dotierungselementen (typ. 10-7) verschieben die Fermi-Energie dramatisch! B. List 19.11.2007 Aus Sze, Fig. VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 14 Seite 27 Dotierung im Bändermodell ● Fermi-Energie wandert von der Mitte der Bandlücke in die Nähe der Donator- bzw. Akzeptor-Niveaus B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 28 Spezifischer Widerstand ● ● Spezifischer Widerstand: Gegeben durch (Einheit: Ω·cm, R=ρ·d/A) Normalerweise überwiegt Leitung durch einen Ladungsträgertyp, und der andere kann vernachlässigt 1ppb 1ppm 0,1% 1% werden Geeignet für Sensoren B. List 19.11.2007 Sze, Fig. 21 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 29 Der pn-Übergang ● ● ● Fermi-Energie muss im Festkörper konstant sein Elektronen und Löcher diffundieren, bis sich resultierendes elektrisches Feld und Konzentrationsgefälle kompensieren Resultat: Ladungsträgerarme Zone: Verarmungszone zwischen pund n-leitendem Gebiet B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 30 pn-Übergang quantitativ Annahmen: ● ● ● Abrupter Übergang zwischen konstanten Akzeptor- und Donator-Konzentrationen NA und ND Majoritäts-Ladungsträgerdichten sind gegeben durch NA und ND Ladungsträgerdichte ändert sich abrupt (widerspricht Diffusionsgesetz) B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 31 pn-Übergang quantitativ, cont'd Rechnung: ● Poisson-Gleichung: mit E x = − dU / dx 2 d U (x) − ρ (x) = 2 dx ε ε0 => dEx ( x ) ρ ( x) = dx ε ε0 ● Ladungsneutralität: a ND = b NA ● 1. Integration ergibt Ex ● ● ● a b 2. Integration ergibt Potential U 2ε ε0U 0 b ( a + b ) = Resultat: eN A Für stark asymmetrischen Übergang p+/n: (ND<<NA), mit d=a+b≈b: 2ε ε0U 0 (U0 enthält die eingebaute d = eN A Spannung Ubi!) B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 32 Diffusionsspannung ● ● Ohne externe Spannung bildet sich eine interne Potentialdifferenz, die Diffusionsspannung: V0 gleicht den Unterschied zwischen den Fermi-Niveaus der p- und n-dotierten Seite aus B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 33 Der pn-Übergang in Durchlassrichtung ● ● ● ● Negative Spannung an n-Gebiet, positive Spannung an p-Gebiet: Ladungsträger werden “nachgeliefert” Verarmungszone wird schmaler Mehr Strom fließt Bandschema: ● Potentialbarriere wird verkleinert ● Diffusion wird erleichtert B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 34 Der pn-Übergang in Sperrichtung ● ● ● ● Positive Spannung an n-Gebiet, negative Spannung an p-Gebiet: Ladungsträger werden “abgesaugt” Verarmungszone wird breiter Weniger Strom fließt Bandschema: ● Potentialbarriere wird vergrößert ● Diffusion wird erschwert Wichtig: ● Ladungsträgerpaare, die in der Verarmungszone erzeugt werden, fließen nach beiden Seiten hin ab! B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 35 Die Shokley-Gleichung ● ● ● Theorie von Shokley (1949) berücksichtigt nur Diffusionsstrom Sperrstrom: JS = e (np,0 Dn/Ln + pn,0 Dp/Lp) mit der Diffusionslänge Ln/p= sqrt(Dn·τr, n/p ), dabei ist τr, n/p die Rekombinationslebensdauer im n/p-Gebiet, und np,0 bzw. pn,0 sind die Minoritätsladungsträgerdichten Die Shokley-Gleichung: I(U) = Js (exp(qU/kT) - 1) B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 36 Diodenkennlinie, real ● ● ● ● Shokley-Theorie macht diverse Näherungen Ge-Dioden auch im Sperrbereich recht gut beschrieben, aber nicht Si! Wichtigster Grund: Vernachlässigung der Ladungstragererzeugung in der Sperrzone (Generationsdunkelstrom): jgen ≈ e/2 ni/τg·W τg: Generationslebensdauer, W: Breite der Verarmungszone Sze, Fig. 21 B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 37 Dunkelstrom ● ● ● Shokley-Gleichung sagt für den Sperrstrom voraus: JS = e (np,0 Dn/Ln + pn,0 Dp/Lp), das ist der sog. Diffusionsdunkelstrom Ursache: Thermisch generierte Ladungsträger außerhalb der Verarmungszone wandern in die Verarmungszone ein, bevor sie regenerieren Weit wichtiger bei Silizium-Sensoren: Der Generations-Dunkelstrom (generation dark current): Ursache: Ladungsträgerpaare, die in der Verarmungszone erzeugt und durch das elektrische Feld getrennt werden Stromdichte des Generations-Dunkelstroms: W: Breite der Verarmungszone, τ0: Erzeugungslebensdauer (generation lifetime) der Minoritätsladungsträger in der Verarmungszone (Größenordnung ms) B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 38 Energieverlust in Silizium ● Erinnerung: Bethe-Bloch-Formel ● Energieverlust streut um Mittelwert: Theorie von Landau Mittlerer Energieverlust von Pionen in Silizium e+ Energieverlust von 2-GeV Positronen, Pionen und Protonen in 290µm Silizium π p Lutz, Fig. 2.14 B. List 19.11.2007 Lutz, Fig. 2.15 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 39 Erzeugung von Ladungsträgerpaaren ● Ionisationsenergie wird vollstandig aufgebraucht durch: Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren – Erzeugung von Phononen – ● ● ● Mittlere Anzahl von Elektron-Loch-Paaren bei Energiedeposition E: <N> = E/Epair Epair ist Energie für ein Elektron-Loch-Paar; Epair = 3.eV in Si (Epair ist signifikant größer als Bandlücke Eg = 1.12eV!) N ist nicht Poissonverteilt (sondern die Anzahl der Phononen)! Varianz von N ist gegeben durch <∆N2> = F·E/Epair Der Fano-Faktor [1 F [1] ist immer deutlich kleiner als 1, für Si: F = 0.08. [1] U. Fano, Ionization yield of radiations. II. The fluctuations of the number of ions, Phys. Rev. 72 (1947) 26-29 B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 40 Teil 2: Silizium-Streifendetektoren B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 41 Entwicklung der Streifendetektoren ● Erste Streifendetektoren: ca. 1983 CMS ATLAS CDF-II CDF E. Belau et al, Nucl. Instr. Meth. 217 (1983) 224., ibid. 214 (1983) 253. H1 NA14 1997 H1 B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 42 Streifendetektoren H1 CDF CMS B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 43 Mikro-Streifen-Detektoren: Prinzip ● ● ● ● Ebener Sensor (ähnlich Solarzelle) Vollständig verarmt durch externe Spannung (25-500V) Streifen an Oberfläche(n) sammeln Ladung aus Teilchendurchgang Extern: Verstärker und weitere Elektronik B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 44 Warum Silizium? Si • zur Zeit bester Kompromiss für Streifendetektoren •Ausgereifte, weitverbreitete Technologie Ge GaAs ● aber: Ladungssammlungseffizienz sehr abhängig von Reinheit und Zusammensetzung ● ● kleine Bandlücke -> hohe erzeugte Ladung -> gut geeignet für Energiemessung gutes Verhältnis erz. Ladung/ Rauschen strahlungshart ● hohe intrinsische Ladungsträgerkonz. -> Muss gekühlt werden (fl. N2) ● B. List 19.11.2007 Diamant ● strahlungshart, aber noch recht teuer ● Ladungssammlungslänge ca 80µm VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 45 Wafer-Herstellung Wafer für Sensoren: ● Zylindrische Einkristalle (Ingots): 10-15cm Durchmesser (4”, 6”) – Gitterorientierung <111> oder <100> (in Längsrichtung) – Spez. Widerstand 1-10kΩcm => viel reiner als für Mikrochips – ● ● ● Herstellung im FloatingZone-Verfahren Waferdicke 500μm Polieren auf 300μm B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 46 Planartechnologie (vereinfacht) Ausgangspunkt: Hochreines Silizium 1. Oxidieren => SiO2-Schicht 2. Photolithographie+Ätzen => Fenster (z.B. Für Streifen) 3. Dotieren mit Ionenimplantation oder Diffusion, z.B. Vorderseite Bor, Rückseite Arsen 4. Ausheilen (Annealing) der Strahlenschäden durch Tempern bei ca. 600˚C => Dotierungsatome wandern auf reguläre Gitterplätze 5. Metallisierung mit Aluminium durch Sputtern oder Aufdampfen 6. Strukturieren der Metallisierung durch Photolithographie und Ätzen 7. Metallisierung der Rückseite, Tempern, Schneiden B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 47 Bonding ● Wire-Bonding: Dünne Aluminiumdrähte (17-25µm) werden mit Ultraschall auf entsprechende Metallkontakte (bond pads) aufgedrückt B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 48 Auslesechips ● ● ● ● Vielkanal-Vorverstärkerchips (typ. 128 Knäle pro Chip) Direkt an Sensoren gebondet Teilweise mit integrierter Signalverarbeitung (Treffer-identifikation) Auslesechips sind durchgängig Eigenentwicklungen aus den HEP-Instituten: ASIC: Application Specific Integrated Circuit B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 49 Guard-Ringe ● ● Kristallfehler an den Schnittkanten verursachen hohe Leckströme Sogenannte Guard-Ringe aus p+-Implantat umgeben das sensitive Gebiet und saugen Leckströme auf B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 50 AC- und DC-Kopplung ● ● ● ● Typisches Signal bei Teilchendurchgang: 4fC Typischer Leckstrom pro Streifen: 1nA => 1fC pro 1000ns Verstärker müssen sehr kleine Ladung messen, Leckstrom stört DC-Kopplung (DC=direct current): Streifen sind direkt mit Verstärker verbunden, Leckstrom fließt durch Verstärker Sensorherstellung einfacher – Verstärkerdesign wird schwieriger, u.U. Suboptimales Rauschverhalten – ● AC-Kopplung (AC=alternating current): Streifen wird über Kopplungskondensator mit Verstärker verbunden Optimal für Verstärker => heute allgemein Standard – Integration der Kondensatoren auf Sensor nicht trivial – Falls Bias-Spannung (Verarmungsspannung) über Kopplungskondensatoren abfällt, begrenzen Kopplungskondensatoren die Spannungsfestigkeit – Leckströme müssen über zusätzliche Widerstände abgeführt werden – B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 51 AC-Kopplung: Beispiel CMS B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 52 Einseitige und Doppelseitige Sensoren ● Einseitige Streifensensoren: Nur auf einer Seite befinden sich Auslesestreifen (meist p-Seite) Einfacherer Aufbau => relativ presiwert herstellbar (ab ca. 1EUR/cm2) – Nur eine Koordinate wird mit einer Sensorlage gemessen => mehr Material – ● Doppelseitige Streifensensoren: Auf beiden Seiten befinden sich Auslesestreifen Aufwändige Herstellung => teuer! (Chiptechnologie immer einseitig!) – Beide Koordinaten werden gleichzeitig gemessen => weniger Material – Herausführen der Signale erfordert i.d.R. Zweite Metallage mit orthogonal laufenden Streifen => teuer, hohe Kapazität => schlechtes Rauschverhalten – ● Doppelseitige Sensoren sind chic, werden aber eher selten eingesetzt B. List 19.11.2007 VL Detektoren für die Teilchenphysik: Halbleiterdetektoren 1 Seite 53