78
Semiconductor (solid state) detectors 1. Introduction 2. Principle of semiconductors 3. Silicon detectors, p-n junction, depleted region, induced charge 4. energy measurement, germanium detectors 5. position measurement, silicon strip detectors, pixel detectors silicon drift detectors 6. DEPFET 7. Photon detectors, APD, SiPM 8. 3D detectors J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 1

Semiconductor (solid state) detectorszacek/detektory/semiconductor_det.pdf · Semiconductor (solid state) detectors 1. Introduction 2. Principle of semiconductors 3. Silicon detectors,

  • Upload
    others

  • View
    16

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Semiconductor (solid state)

detectors 1. Introduction

2. Principle of semiconductors

3. Silicon detectors, p-n junction, depleted region, induced charge

4. energy measurement, germanium detectors

5. position measurement, silicon strip detectors, pixel detectors

silicon drift detectors

6. DEPFET

7. Photon detectors, APD, SiPM

8. 3D detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

1

1. Introduction

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

2

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

3

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

4

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

5

Principle of semiconductors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

6

hole conduction

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

7

8

- E - 𝐸𝑓

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

9

k ~8.6 x 10−5 𝑒𝑉 𝑇−1

electron concentration

g(E) - density of electron state in the conduction band

f(E) ⦁ g( E) – electron concentration

𝑬𝒄 lowest energy level in the conduction band

g(𝑬𝒄 ) ≡ 𝑵𝒄 density of electron states in the lowest energy level

approximation : f ≈ 𝒆− ( 𝑬−𝑬𝒇)/𝒌𝑻

electron concentration in the lowest energy level 𝒏𝒆 = 𝑵𝒄 𝒆−

𝑬𝒄 −𝑬𝒇

𝒌𝑻

hole concentration

𝑬𝑽 − 𝐡𝐢𝐠𝐡𝐞𝐬𝐭 𝐞𝐧𝐞𝐫𝐠𝐲 𝐥𝐞𝐯𝐞𝐥 𝐢𝐧 𝐭𝐡𝐞 𝐯𝐚𝐥𝐞𝐧𝐜𝐞 𝐛𝐚𝐧𝐝

𝑵𝑽 - density of hole state in the highest energy level of the valence band

hole concentration in the highest energy level 𝒏𝒉 = 𝑵𝑽 𝒆−

𝑬𝒇 −𝑬𝒗

𝒌𝑻

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

10

Boltzmann constant k ≈ 8.6 ⦁ 10−5 eV ⦁ 𝐾−1

E-𝐸𝑓 ≈ 1 𝑒𝑉

𝐸𝑔 = 𝐸𝑐 - 𝐸𝑉

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

11

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

12

𝑣𝑒 = μ𝑒 𝐸 𝑣ℎ = μℎ 𝐸

μ mobility, E external electric field

Current : J = e 𝑛𝑖 (μ𝑒 + μℎ ) 𝐸 = σ E, σ - conductivity R = 1/σ - resistivity

μ𝑒 μℎ

13

i) Direct recombination

Recombination and trapping of the charge carriers

ii) Recombination resulting from impurities in the crystal

a)

b)

iii) Trapping resulting from impurities in the crystal

iv) Structural defects in the lattice

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

14

3. Silicon semiconductors, p – n junction

Si:

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

15

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

16

n- type semiconductor

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

17

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

18

p- type semiconductor

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

19

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

20

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

21

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

22

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

23

24

Approximation of charge densities

Concentration

of acceptors 𝑵𝑨 Concentration

of donors 𝑵𝑫

Maxwell equations:

25

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

26

Using resistivity 𝑹𝒏of n-type

d= 𝟐 𝜺 𝑹𝒏 𝝁𝒆 𝑽𝟎

d= 𝟐 𝜺 𝑹𝒑 𝝁𝒉 𝑽𝟎

𝑹𝒏

𝑹𝒑𝑽𝟎

R

For R≈ 20 000 Ω , 𝑉0 = 1 V d= 75 μm

For reversed bias V= 𝑽𝟎 + 𝑽𝑩 ~ 50 − 100 V

d ~ 300 μm

R = 1/(e 𝑛𝑖 (μ𝑒 + μℎ ) ) in n-type, μℎ = 0 𝑛𝑖 = 𝑁𝐷

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

27

𝑝+ over-dopped p-type

d

d

d

d

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

28

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

29

depletion region HV

Ohmic contact : direct metal – p-type not possible, because of the barrier

between metal and p-type

instead heavily doped p-type 𝒑+ 𝐨𝐧 𝐭𝐡𝐞 𝐩 − 𝐭𝐲𝐩𝐞 𝐬𝐮𝐛𝐬𝐭𝐫𝐚𝐝𝐞

and then a metal

metal

30

Induced charge

Q - charge in the depletion region

page 25:

but different coordinate frame,

zero at the junction

x ⟶ x - 𝑥𝑝 , 𝑥𝑝 ≡ d, E=-dV/dx

d - thickness of the depletion region

,resistivity R=1/( )

𝜏 = ε ⦁R

𝑡𝑑

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

31

𝑞ℎ 𝑡 =

t ⟶ ∞ 𝑞ℎ =

𝑞𝑒 (𝑡𝑑) =

Induced charge at 𝑡𝑑

i.e. If x(t) =0

32

Ex. /pair

a good preamplifier needed, low noice

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

33

DC direct coupling, AC

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

34

4. Energy measurement

Construction of p-n junctions

• Diffused junction diode: diffusion of donors to p-type at the temperature

1000 C

• Surface barrier junction: junction between a semiconductor and a

metal

n-type Si with Au, p-type Si with Al

sensitive to light

• Ion-implanted junctions: a substrate is bombarded by ions from an

accelerator

Depleted region small ⟹ energy measurement for low energies

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

35

Guard ring

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

36

in Si

particle energy ( MeV)

10 100

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

37

Compensating materials developed to increase the depletion region

by lithium drifting process

known as p-i-n junction

Li diffused to p-type, a narrow n-type is created

electrons drifted to p-type, negative space charge

application of HV ⟶ positive Li ions drifted to p-type

for sufficient time to create

⟹ the same concentration of positive ions and electrons t ⟹ no space charge, i.e. compensated region

resistivity up to 100 000 Ω width of compensating region 10-15 mm Si(Li) , the noise is much greater then in normal Si cooling is needed

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

38

Energy resolution

Fluctuation of energy losses in the depleted region

Landau fluctuation

, Δ𝐸𝑚.𝑝. most probable energy loss

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

39

Germanium detectors suitable for γ detection,

Resolution at 1.33 Mev Ge detector 0.15 %

NaI 8 %

-

- High purity germanium (PHGe), depletion region~ cm, low temperature during

- measurement only

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

40

Shape of Ge detectors - planar, circular shape, diameter 1-2 cm, volume 10-20 𝑐𝑚3

coaxial , volume up to 400 𝑐𝑚3

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

41

5. Position measurement, silicon strip and pixel detectors

i) Manufacturing of Si strip detectors

ii) Microstrip detectors

iii) Position resolution

iv) Pixel detectors

v) Silicon drift detectors

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

42

i)

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

43

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

44

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

45

R

ii)

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

46

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

47

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

48

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

49

iii)

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

50

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

51

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

52

analog readout

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

53

iv)

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

54

Advantages and disadvantages

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

55

56

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

57

v)

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

58

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

59

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

60

Application of strip, pixel and pad detectors

Trackers: precise determination of particle tracks (strips or pixels)

Vertex detectors: in collider experiments, detectors situated around

the interaction vertex

Topology: sensors mounted on a planar carbon frames or cylindrical carbon frames

Calorimeters: as active layers in sampling calorimeters

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

61

forward and backward silicon tracker of the H1 experiment

Collider HERA, DESY Hamburg, electrons (~26 GeV) vs protons (920 GeV)

several layers of circular planes equipted with strip sensors

Interaction vertex

Beam pipe

electrons

protons

Emitted particle

electronics

Si sensors

sensor

particle

62

Pad silicon detectors for the readout of the

electromagnetic calorimeter CALICE

Si Si wafers 6 x 6 cm, 1 pad 1x1 cm, depletion

region 500 μm

calorimeter: absorber tungsten, active layers from Si wafers

electronic layer above active layer

(calorimeter for linear collider)

W - layer

Si wafers

readout board

63

5. DEPFET

Bipolární

tranzistor:

Nepřipojený k obvodu Připojený k obvodu

emitor báze kolektor

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

64

FET tranzistor

Polem řízené (neboli unipolární či FET) tranzistory spínají/omezují protékající proud

na základě toho, jaké napětí je na „drain“

řídicí se nazývá gate a značí se "G",

spínaný proud vstupuje do drainu "D" a

vystupuje z source "S". Tři jednotky FETu:

drain je zde jako kolektor, source jako emitor a gate jako báze

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

65

FET

Proud teče mezi S a D mezi

nimiž je napětí.

Napětí na D mění vodivost

substrátu, tj proud teče/neteče

Zdroj proudu je S, výstupní proud

je v D.

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

66

DEPFET je FET vytvořený na plně vyčerpanén substrátu. Působí současně jako

senzor a zesilovač

67

Top gate

P –channel FET on a fully depleted n-bulk

𝑛+

n-Si

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

68

electrons from photon are collected at the internal gate

the energy deposited by a photon is determined by the change of the FET conductivity

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

69

clear mode - change of the FET conductivity,

This difference ~to the total amount of

collected charge

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

70

7. Semiconductor photon detectors

APD - avalanche photodiode replace e.g. photomultipliers in calorimeters, very small devices,

can be connected with fibers

Usual photodiode PD

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

71

avalanche photodiode

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

72

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

73

HAPD - hybrid APD

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

74

SiPM Silicon Photon Multipliers

1156 photodiodes on the area 1.1 x 1.1 𝑚𝑚2

depletion region

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

75

SiPM detects individual photons, current ~ to the number of fired pixels

76

Hadron calorimeter

Scintillation light from the tile is collected by a WLS fiber which is directly

connected to a SIPM.

WLS fibre

SiPM were first developed for the readout of scintillation light of the hadron

calorimeter within CALICE collaboration

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

77

(pixel ≡ photodiode)

Pedestal ≡ noise

J. Žáček Experimentální metody jaderné a

subjaderné fyziky

78

3D detectors