Halbleiterdetektoren Michael Schwander

Inhalt Mögliche Funktionsweise Vergleich mit anderen Detektoren Struktur von Halbleitern Reeller Aufbau Vergleich mit anderen Detektoren: Realisierung eines ähnlichen Aufbaus über andere Medien Michael Schwander

Wie wird detektiert? Was für Materialien können genutzt werden? Beispiel Gas! Man muss berücksichtigen wie groß die Detektoren gebaut werden müssen um den selben Effekt zu erziehlen Grundätzlich vergleich von festkörpern und gasen Ein rein anschaulicher vergleich von beidem Michael Schwander

Gas vs. Festkörper Bethe-Bloch Beziehung Idealen Gasgleichung Für einen cm³ folgen 2,4*1020 Teilchen Atomvolumen von Si 12,1cm³/mol Für einen cm³ folgen 5,0*1022 Die Bethe Bloch Beziehung gibt den Energieverlust durch Ionisation in einem Medium an. Als Ionisationsgas wird Argon Methan Methylal oder CO2 genutzt Argon hat ein Z von 18 und den hinteren Teil als Consatante angenommen. I ist die mittlere Anregungsenergie Michael Schwander

Gas vs. Festkörper Argon Z=18 Si Z=14 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 Michael Schwander

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 Die 100 V machen bereits bei Festkörpern Schwierigkeiten. Die Feldstärken bei Gasen zu bekommen ist nur bei Mindestabständen der Drehte möglich. Da bereits so starke Verformungen der Drehte durch die Abstoßung auftreten und es sehr leicht zu Schädigung des Detektors kommt Michael Schwander

Gas vs. Festkörper Schwierigkeiten bei Gas: Vorteile: Verformung der Drehte Extrem hohe Feldstärken Ungenaue Ordsauflösung Schlechter dE/dx Term Vorteile: Leicht austauschbares Medium Geringere Kosten Im Gas werden häufig mehrere Drehte auf einmal angesprochen. Michael Schwander

Gas vs. Festkörper Schwierigkeiten im Festkörper Vorteile: Hohe reinheitsgrade zu erzeugen Teure Materialien Vorteile: Extrem hohe Auflösung Viele Elektronen pro Teilchen Integration der Auslesetechnik möglich Kurze Messzeiten 10ns Außerdem hat es konstruktionsvorteile weil wenig material benötigt. Ladungsträger diffundieren sehr wenig Kleine Bandlücke in Si Michael Schwander

Was für Festkörper? Michael Schwander

Metalle/Halbleiter/Isolatoren? Pauliprinzip Grund für Energieniveaus Diskrete Energieniveaus Das Pauliprinzip sagt aus, dass zwei gleich Teilchen nicht die selben zustände und gleich Energien einnehmen könne, da resultierende Wellenfunktion Asymetrisch sein muss. Formel für Diskrete Energieniveus stimmt nur für Wasserstoff oder Ionisiertes Helium wegen Coulombpotential Michael Schwander

Metalle/Halbleiter/Isolatoren? Schematische Darstellung der Bänder Energielücke Das bild macht noch keine Aussage darüber, ob es sich um ein Isolator Halbleiter oder Metall handelt. Es zeigt auch nicht an, wo die Fermienergie liegt. Bildlich auf die einfachste Variante erklärt, warum Bandstrukturen im Festkörper. Bild führt aber in die Irre, da es eigentlich nur erklärt, wo die Quasi freien Elektronen her kommen. Aber nicht das diese auf unterschiedlichen Niveaus sitzen. Energielücke kommt daher, dass man ein periodisches Potential hat, und die Lösung dafür die Blochfunktionen sind. Welche eine Periodizität für k hervorruft, und auch für die Energien. Es bedeutet nicht, dass eine Geschlossene Atomhülle gleich einem Isolator ist. Michael Schwander

Metalle/Halbleiter/Isolatoren? Fermi-Dirac Verteilung Teilchen die mit dem Pauliprinzip beschrieben werden können heißen Femionen. Sie gehorchen der Femri-Dirac Verteilung. Wenn wir nun von Freien Elektronen ausgehen, die semtliche Energien einnehmen können, dann füllen wir die Energien von unten nach oben auf. Bei 0 K haben wir dann einen Topf, der bis zu einer Linie diskret aufgefüllt ist. Die Fermienergie ist jenes Niveau, welches mit einer 50% Wahrscheinlichkeit besetzt ist. Wäre keine bandlücke vorhanden, würde die anregungsenergie sofort in Thermische Energie übergehen. Der verbotene bereich ist nicht über die Atomhüllen definiert sondern über das periodische Potential und die daraus folgernden Blochfunktionen. Michael Schwander

Fermi-Niveau Potentialverlauf im Band nach erster nährung Parabelförmig. Wegen Folgt über Wellenzahlvektor K=2π/λ Michael Schwander

Fermi-Niveau Intrinsischer Halbleiter Michael Schwander

Fermi-Niveau Durch Anregung werden in den Detektoren ständig Ladungsträger erzeugt. Je mehr stärker es ionisiert, desto größer müssen im obigen Bild die rote und die blaue Fläche werden. Damit die FD-Statistik stimmt, muss für die Löcher EF in Richtung VB geschoben werden, aber gleichzeitig für die Elektronen in Richtung LB. Michael Schwander

Fermi-Niveau N - Dotierung P und n dotierte Halbleiter! Es existieren mehr Elektronen oder mehr löcher im Halbleiter!! Dadurch wird natürlich die Fermienergie verschoben. Michael Schwander

Fermi-Niveau Dotierungen im bereich von N=1016cm-3 Michael Schwander

Halbleiterdetektor Erkenntnis! Prinzipieller Aufbau bis jetzt Detektor muss Halbleiter sein Prinzipieller Aufbau bis jetzt Kathode Halbleiter heißt halbleiter, weil er kein perfekter isolator ist. Es fließt also auch ein storm, wenn wir spannung anlegen. Halbleiter Anode Michael Schwander

Reeller Halbleiterdetektor Schwierigkeiten: Bei T > 0 Existenz eines Dunkelstroms Lösung: p/n Übergang Michael Schwander

p/n -Übergang -xl xr Beide Materialien sind elektrisch Neutral Durch diffusionsbewegungen wird ein Ladungsaustausch erzeugt Michael Schwander

p/n -Übergang Michael Schwander

Sperrichtung erhöht das interne Feld, und verhindert, dass elektronen fließen können! Man packt nur löcher zu den Elektronen und elektronen zu den löchren, kann aber keine ladung lings einfließen lassen und rechts wieder absaugen. Michael Schwander

p/n -Übergang Michael Schwander

Silizium-Streifen-Detektoren Wenn man zwei Streifendetektoren mit einem Winkel übereinander setzt, kann man eine relativ gute Ortsaulösung erzeugen. Michael Schwander

Pixel-Detektoren Indium hat eine relativ gute Leitfähigkeit Michael Schwander

5,4m 2,4m 206m² CMS 2007 Michael Schwander

Weitere Aspekte von Halbeitern Lebensdauer Degradation Produktion Vergleich mit Solarzelle Unterschied Solarzelle und Detektor: Solarzelle ist eine Art Kondensator, der mittels der Photonen aufgeladen wird. Detektor ist ein Leiter, der eine gewisse menge Strom durchlässt, wenn das Teilchen passiert. Produktion von hoch reinem Si. Dotierung von Si Herstellung von dünnen dotierten Schichten. Erzeugung von Fehlstellen im Detektor. Einflüsse der Strahlung, auch Neutronenstrahlung, Anregung der Kerne. Materialermüdung. Michael Schwander

Die unterschiede zwischen Detektor und Solarzelle liegen nicht im Aufbau sondern in der Elektronik die daran angeschlossen ist. Eine Solarzelle wird als Kondensator genutzt und ein Detektor als Wiederstand. Sie werden in unterschiedlichen Spannungsbereichen der Diodenkennlinie gehalten. Die sogenanten pinholes (nadelstiche) müssen wohl dafür dienen den leckstrom an den Oberflächen zu minimieren. Also um den Fluss auf die Leiter möglich zu machen. Michael Schwander

ENDE! Michael Schwander