Strahlenschäden bei Silizium-Halbleiterdetektoren Unai Fischer Abaigar Betreuer: Markus Gabrysch, Michael Moll Strahlenschäden bei Silizium-Halbleiterdetektoren Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt CERN 7. - 19. Oktober 2012

LHC : Beispiel CMS CMS Innerer Detektor Pixeldetektor Durch die räumliche Nähe zum Kollisionspunkt sind die Detektoren starker Strahlung ausgesetzt. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 1

Pixel und Streifen Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 2

Verschlechterung des Detektorsignals Pixel: max. fluence(LHC) fluence: Anzahl der bisherigen Teilchen pro Flächeneinheit ( 𝑐𝑚 2 ) Streifen: max. fluence(LHC) Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 3

Verschlechterung des Detektorsignals: Luminositätsupgrade Pixel: max. fluence(LHC); max. fluence(sLHC) fluence: Anzahl der bisherigen Teilchen pro Flächeneinheit ( 𝑐𝑚 2 ) Streifen: max. fluence(LHC); max. fluence(sLHC) Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 4

Funktionsprinzip Halbleiterdetektor Ziel ist es, mit möglichst genauer Auflösung Teilchenbahnen zu messen. Ionisierende Strahlung erzeugt im Detektor Elektronen-Loch Paare, die wandern und einen Strom induzieren. Elektronen-Loch Paare? Grundsätzlich ist ein solcher Detektor nichts anderes als eine Diode in Sperrrichtung. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 5

Dotierung Leitungsband Bandlücke = 1.1 eV Si Valenzband Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 6

n-Dotierung Leitungsband Valenzband Si P Leitungsband Valenzband Wort fehlt! Durch die Verunreinigung des Siliziums, wird ein Zwischenniveau in der Bandlücke eingefügt. Es wird wahrscheinlicher, dass ein Elektron auf das Leitungsband kommt. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 7

p-Dotierung Leitungsband Valenzband Positive Löcher B Si Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 8

pn-Übergang Spannung Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 9

pn-Übergang (mit Spannung) Durch Anlegen einer Spannung, lässt sich die Verarmungszone vergrößern. Die Spannung die benötigt wird, um den ganzen Detektor zu verarmen, heisst „Depletion Voltage“. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 10

Test-Detektoren n Diese Detektoren dienen nur zum Testen, sie werden nicht verbaut. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 11

Strahlenbelastung: „charge trapping‘ Beim Wandern durch den Detektor, werden manche Ladungsträger in Störstellen eingefangen. Nach einiger Zeit werden diese wieder freigegeben („detrapping“). Alle 25ns wird die Ladung ausgelesen -> detrapping braucht länger. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 12

Aufbau Abschliessende Box Laser (rot, infrarot) Detektor Hochspannung Kühlung Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 13

Aufbau Abschliessende Box Laser (rot, infrarot) Detektor Hochspannung Kühlung Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 14

Aufbau Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 15

Aufbau Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 16

Infrarot Messung Trigger für Laser (Oszilloskop) Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 17

Messung mit Infrarotlaser Beispiel Photodiode Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 18

Messung mit Infrarotlaser Beispiel bestrahlter Detektor Spannung: -50V charge trapping Bei der Messung wurden Temperatur, angelegte Spannung und Dauer des Laserpuls variiert. Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 19

Annahme Strom proportional zu n Fitten mit „Matlab“ 10 Messungen übereinander 𝑑𝑛 𝑑𝑡 =− 𝑛 𝜏 𝑛 𝑡 =𝐴∙ 𝑒 (− 𝑡 𝜏 ) Annahme Strom proportional zu n 𝐼 𝑡 =𝑎∙ 𝑒 (− 𝑡 𝜏 ) Versuch eine Funktion für die Beschreibung des ‚detrapping‘ zu finden. (Unter Annahme eines exponentiellen Abfalls). Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 20

Fazit... Unai Fischer Abaigar, Freiburg i.Br., Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt, CERN, 16 Oktober 2012, Folie 21