Elektrische Eigenschaften von SiPMs

Elektrische Eigenschaften von SiPMs
Carsten Heidemann, T. Hebbeker,
M. Merschmeyer, P. Hallen, E. Dietz-Laursonn,
B. Glauß
Gliederung
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Was ist ein SiPM
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Was kann man damit machen?
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Elektrische Modelle
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Messungen der elektrischen Eigenschaften
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Wozu das Ganze?
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Fazit / Ausblick
6.9.2011
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Grundlagen für einen SiPM - Halbleiter
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Ein SiPM ist ein Halbleiter auf Siliziumbasis
(Bandlücke 1,12 eV)
Ein p-n-Übergang erzeugt durch die unterschiedliche
Konzentration von Elektronen und Löchern ein örtlich
begrenztes E-Feld
Ein Photon mit sichtbarer Wellenlänge kann ein
Elektron-Loch-Paar erzeugen, diese driften durch das
E-Feld
Tun dies ausreichend viele Photonen, kann man den
Strom messen (PIN-Diode)
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Grundlagen für einen SiPM - APD
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Legt man nun an den p-n-Übergang eine
Spannung V_bias, sodass das E-Feld im
Innern verstärkt wird, so können
entstehende Elektronen weiter ElektronLoch-Paare mittels Stoßionisation
erzeugen. (Avalanche Photodiode,
Verstärkung ~100-1000)
Erhöht man die Spannung bis über die
Durchbruchspannung hinaus, so tragen
auch die Löcher zur Lawinenbildung bei
und die Lawine wird nicht mehr von
selbst gestoppt.
p-Region
Lawine
nur Elektronen
tragen dazu bei
V_bias
Die Lawine muss dann durch einen
Widerstand, der den Strom begrenzt und
damit für eine verringertes E-Feld sorgt,
gestoppt werden. (Geigermode APD,
Verstärkung ~10e6 -10e7)
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n-Region
© Sze
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Grundlagen für einen SiPM - GAPD
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Einfache bis komplexe Struktur
aus p-dotierten Schichten auf nSubstrat zur Bildung von Driftund Lawinenzone
p-auf-n gut für blaues Licht, da
Lawine Elektronen dominiert, für
rotes Licht Löcher dominiert
© Sze
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Grundlagen für einen SiPM - SiPM
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Setzt man viele dieser GAPD zu einem
Array zusammen, erhält man einen SiPM
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Es gibt sie in zahlreichen Bauformen:
Sensitive Fläche: 1x1 mm², 3x3 mm²
● Pixelgrößen: 25 µm, 50 µm, 100 µm
● Füllfaktoren: 30% 61,5% 78,5% → beeinflusst
durch Trennung der Pixel, Zuleitung und
Löschwiderstand
Füllfaktor, Verstärkung, Erholungszeit, PDE werden
kontinuierlich verbessert
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Was ist ein SiPM – Vor- und Nachteile
Im Vergleich mit PMT (Photo Multiplier Tube)
+ Hohe PDE
+ Einzelphotonauflösung
+ Platzbedarf
+ Niedrige Spannung
+ Signal zu Rausch
Verhältnis
+ Magnetfeldtauglich
+ Standardchiptechnologie
1x1 mm² - 3x3 mm²
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- Dunkelrate
- Nachpulse
- Optisches
Überansprechen
- Sensitive Fläche
© Hamamatsu
 10 mm - 508 mm
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Was kann man damit machen?
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Unmittelbare Anwendungen (Detektor):
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Trigger (VDC-System)
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Fasertracker
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Medizinphysik Trigger (+ Energie)
●
CMS – HCAL
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CMS-LHC Upgrade (geplant)
Grundlegende Eigenschaften untersuchen
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Entwicklung von Frontend-Elektronik (Kalibration /
Signalverarbeitung)
Signalgenerierung in GEANT
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Elektrische Modelle – Grundlagen
Löschwiderstand
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Pixelkapazität
Parasitäre
Löschkapazität
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Pixelkapazität (Cd) entsteht
durch die Verarmungszone
Löschwiderstand (Rq) besteht
aus polykristallinem Silizium
Löschkapazität (Cq) entsteht
durch die Bildung eines
Kondensators aus
Löschwiderstand und Substrat
SiPM mit N Pixeln von denen eins feuert
Cq, Rq, Cd werden in nicht feuernde /
feuernde Pixel zusammengefasst
Zusätzliche Kapazität Cg des gesamten
Systems und Widerstand des
Stromversorgung
Die feuernden Pixel werden durch ein
Lawinenmodell I_lav entladen :
● Einfacher Schalter
● Physikalisches Modell einer Lawine
© Corsi et al.
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Elektrische Modelle - „Fast“
Feuernde Pixel
Nicht feuernde
Pixel
SPICE – Tool zur Simulation komplexer elektrischer Schaltkreise
Scope-Anschluss
Spannung V1 stellt die Überspannung da
Die Kombination von fire_pixel und lav bilden das Lawinenmodell
Scopeanschluss bildet den Eingang eines Scope mit 50 W und 16 pF
Der 1 kW Widerstand gehört zur empfohlenen Schaltung zum Betrieb des SIPM
Nachteile:
● Alle Pixel feuern gleichzeitig
● Pixel werden zusammengefasst
Vorteile:
● Schnell in der Simulation, unabhängig von der Anzahl der simulierten Pixel ~1 s
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Elektrische Modelle - „Single“
Feuerndes Pixel
Nicht feuernde
Pixel
Scope-Anschluss
Nachteile:
● Deutlich langsamer in der Simulation für große Pixelanzahlen
(3600 Pixel ~20 min)
Vorteile:
● Pixel können einzeln feuert werden
● Pixel werden nicht zusammengefasst
● Statistische Streuung der Parameter (C_q, C_d, R_q, )
möglich
● Beschreibung entspricht eher der Realität
Pixelschaltung
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Elektrisches Modell – Fast↔Single
Fast-Modell:
Pulshöhe für größer Anzahl von feuernden
Pixel nicht mehr linear
Single-Modell:
Pulshöhe auch für größer Anzahl von
feuernden Pixel linear
Welches von den beiden Modellen hat Recht ?
Leider noch ungeklärt, wird aber untersucht...
Glücklicherweise ist der Unterschied nur bei der Anzahl der feuernden Pixel so
deutlich zu sehen. Die nachfolgenden Plots sind alle mit dem Fast-Modell
erzeugt worden
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Elektrische Modelle – Einfluss von C_d
Steigendes C_d
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Variation von C_d (10 fF – 150 fF)
Verbreiterung des Pulses von 3 ns auf
20 ns
Pulshöhe steigt von 0.67 mV auf
1.04 mV
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Elektrische Modelle – Einfluss der C_q
Steigendes C_q
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6.9.2011
Variation von C_q (1 fF – 14 fF)
Keine Verbreiterung des Pulses im Tail
Pulshöhe steigt von 0.9 mV auf 1.8 mV
Ansteigendes Maximum verschiebt das
FWHM von 12 ns hin zu 4 ns.
→ Spitzenkomponente
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Elektrische Modelle – Einfluss von R_q
Steigendes R_q
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Variation von R_q (60 kW – 260 kW)
verändert Steilheit der abfallenden
Flanke
maximale Amplitudenhöhe sinkt von
2,1 mV auf 0,7 mV mit steigendem
Widerstand ab.
Amplitudenänderung führt auch zu
Änderung des FWHM
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Elektrische Modelle – Hauptparameter
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Die Parameter C_d, C_q und R_q sind die
Basisparameter
Sie lassen sich bei der Entwicklung eines SiPM
steuern
Haben den größten Einfluss auf das Signal
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Elektrische Modelle – Einfluss von „R_d“
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6.9.2011
R_d ist Teil des Lawinenmodells
Variation von „R_d“ (1 W – 101 W)
minimale Änderung der Breite
(< 0.07 ns)
Für kleine Widerstände ist die
Amplitude zunächst konstant
(0,95 mV), sinkt ab etwa 20 W dann
jedoch deutlich bis auf 0,7 mV ab.
→ derzeitig Wahl von 2 W hat keinen
Einfluss auf das Signal
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Elektrische Modelle V – Lawinendauer
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6.9.2011
Für eine kurze Lawinendauer gibt es
fast keine Unterschiede
Erst bei sehr langen Lawinendauern,
größer als reale SiPM Pulsebreiten,
zeigen sich Effekt auf FWHM und max.
Amplitude
Abschätzung der Lawinendauer über
t=s/v ; s: Tiefe der Verarmungszone
(~1 µm) , v: Driftgeschwindigkeit
(~10e5 m/s)
→ t ~ 100ps
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Elektrische Modelle - Messung
© Hallen
Messaufbau zur Untersuchung der Erholungszeit
Der SiPM wir innerhalb von einigen ns zweimal vollständig belichtet
Die Messungen erfolgten im Rahmen der Bachelor Arbeit von Patrick Hallen.
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Erholungszeit
Erholte Pulshöhe
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Hamamatsu schnelle Erholung auf
volle Pulshöhe
geringer Spitzenanteil → kleines
C_q
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KETEK sehr langsame Erholung
hoher Spitzenanteil → großes C_q
In beiden Fällen wurde der SiPM mit 2 LED-Lichtpulsen im
Abstand von 50 ns voll ausgelöst
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I-V Kennline
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6.9.2011
Strom-Spannungskurven für
verschiedene SiPMs
Ermöglicht die Bestimmung der
Durchburchspannung im ersten
Knick der Graphen
Zur Bestimmung des Widerstands
R_q wird die Spannung noch weiter
erhöht
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Erweiterung des elektrischen Modells
© Hallen
Die Erholung
der Pulshöhe
zeigt eine kurze
und eine lange
Zeitkonstante
C_bulk
V_op
Zum SiPM
R_bulk
6.9.2011
Erweiterung des Modells um
die lange Zeitkonstante der
Erholung zu erklären
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Messung ↔ Simulation
© Hallen / Heidemann
Roter Graph: Fast-Simulation mit Bulk-Erweiterung
Messung : Voll ausgelöster SiPM Hamamatsu 3x3, 50µm
Übereinstimmung optisch gut, aber ermittelte Zeitkonstanten sind aber noch sehr unterschiedlich
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Optischer Teststand
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Schwellensuchdurchlauf
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PDE (l)
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Rel. PDE(l)
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I-V-Kennlinie
Gain
Nachpulse
Optische
Überansprechen
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Erholungszeit
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Durchbruchspannung
●
Impedanzmessung
Mehr dazu im
Vortrag von
Benjamin Glauß
6.9.2011
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MTT – Myon Track Trigger
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Für SLHC ist eine höhere Luminosität geplant
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6.9.2011
Führt zu höheren Triggerraten
Benötigt besseren Myonentrigger um L1-Triggerrate
konstant zu halten (~10 kHz Myonanteil)
Dies ist möglich wenn man zusätzliche, schnelle
Ortsinformation des Myon hat
Ein mögliches Szenario: Dünner Szintillator
unmittelbar vor den ersten Myonenkammern mit
Kachelgröße von 25x25 cm² , aber es gibt nur
sehr wenig Platz ...
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Ring 0
CMS Fotodatenbank
Ein ganz klein wenig Platz
Myonenkammer
HO – R0 innere und äußere Lage
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Hadron Outer
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6.9.2011
Ist die erste Detektorlage ausserhalb der Spule
Erhöht die HCAL Dicke auf mindestens 10 l für
|h|<3
Reduziert damit „low energy tails“
Benutzt die Spule und das erste Eisenjoch als
Absorber
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Hadron Outer
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6.9.2011
Besteht aus Szintillatorkacheln, 1 cm dick, und
wird mittels WLS Fasern ausgelesen.
Bislang dienen „Hybrid Photo Diodes“ (HPD)
zur Messung des entstehenden Lichts
Diese haben teilweise Probleme mit dem
Magnetfeld
Derzeit werden SiPMs als Ersatz getestet
Testfall für MTT, da HO an ähnlicher Stelle liegt
und ähnliche Technik benutzt, jedoch nicht als
Trigger geplant wurde
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© CMSweb
Teststrahl H2 CMS-Calo
Segment aus ECAL / HCAL Barrel am Teststrahl
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6.9.2011
14 Tage Strahlzeit (July 2011) um HF, HB, EB und HO zu testen
4 Schichten a 8 h dediziert für HO
Gemessen wurde mit:
● Pionen (20 GeV - 300 GeV)
● Elektronen (80 GeV)
● Myonen (150 GeV)
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2008 JINST 3 S08004
Von der Szintillatorkachel
Kachelabmessungen: ~ 30x30x1 cm³
Ring 0: zwei Lagen mit je 8 Kacheln pro Segment
Ring 1: eine Lage mit je 6 Kacheln pro Segment
Ring 2: eine Lage mit je 5 Kacheln pro Segment
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Über Fasern
2 Stecker pro Segment (TB: je 10 Fasern, weil Segment in Ring0 gekürzt, 16 Fasern in CMS)
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und ODU
Optical Decoder Unit
SiPM-Platine mit
Ausleseelektronik und
Peltierkühlung
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Abgedeckte Stecker
Fasern im Innern die das
Licht von den Reihen der
Stecker auf die Bündel für die
SiPMs leiten
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Und Lichtmischer
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●
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6.9.2011
Soll eine gleichmäßige
Ausleuchtung des SiPMs
erreichen
In Ring0 zusätzlich zur
Fokussierung benötigt :
Faserbündeldurchmesser 3,6 mm
SiPM Fläche: 3x3 mm²
Ring 0: konische Lichtmischer
Ring 1/2: zylindrische Lichtmischer
Gleichmäßige Ausleuchtung der
SiPM ermöglicht die Nutzung des
gesamten dynamischen Bereichs
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Zum SiPM
Bohrungen zur thermischen
Entkopplung des SiPM-Teils
vom Rest der Platine und
soweit möglich vom Rest des
System
Zusätzlich aktive Kühlung
mittels Peltierelement auf der
Rückseite
Verbindung zur
Ausleseelektronik mittels
Steckverbinder auf der
Rückseite
18 SiPMs vom Type:
Hamamatsu 3x3 mm², 50µm
6.9.2011
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Plots von Jake Anderson
Vorläufige Ergebnisse des Teststrahls
fC/pe
pe/mip
s/n
MPV (fC)
HPD
0,36
10,6
~3,5
~3.6
SiPM
4,2
12,2
~40
~50
Unter der Annahme das ein SiPM ungefähr die doppelte PDE einer HPD hat, resultiert
daraus ein Verlust von 55-60% durch den Lichtmischer
Deutlich bessere Trennung von Pedestal (rot) und Signal (blau) für den SiPM
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Simulation Lichtmischer - GEANT4
Arbeit und Bilder von Erik Dietz-Laursonn
Lichterzeugung durch Myonendurchgang (bg = 3,5 ~ 280 MeV) durch den Szintillator
(BC408)
Anbindung Lichtmischer / SiPM durch WLS Faser (Kuraray Y11-250)
Komplett geometrische Reflektion innerhalb des Lichtmischers ( gelber Konus)
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Simulation Lichtmischer - ZEMAX
Raytracing liefert mit der GEANT4-Simulation
vergleichbare Resultate
Die diffuse Reflektion (80%) ist besonders effektiv
bei der verschobenen Faser
Verluste von 25% - 40% für geometrische
Reflektion , 60% - 75% bei diffuser Refl.
Arbeit und Bilder von Erik Dietz-Laursonn
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Fazit / Ausblick
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Elektrische Modelle sind wichtig für Entwicklung der
Frontend-Elektronik und für die Anpassung der
Detektor-Simulation (Digitalisierung)
Erholungszeit aktueller SiPMs ist deutlich kürzer als
noch von 5-6 Jahren
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6.9.2011
gut für SLHC Einsatz
kann durch angepasste elektrische Modelle
beschrieben werden
HO-Upgrade gibt uns die Möglichkeit, schon jetzt
Erfahrungen mit SiPMs bei CMS zu sammeln
Für ein Upgrade des Myontriggersystem müsste die
Lichtausbeute aber noch verbessert werden
(Unterscheidung Noise / MIPs / Jet)
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