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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. I nnerer Detektor. Pixeldetektor. 93 cm. 30 cm.

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Strahlenschäden bei Silizium-Halbleiterdetektoren

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Presentation Transcript

  1. Unai Fischer Abaigar Betreuer: Markus Gabrysch, Michael Moll Strahlenschäden bei Silizium-Halbleiterdetektoren Projektwochen Netzwerk Teilchenwelt CERN7. - 19. Oktober 2012

  2. LHC : Beispiel CMS CMS InnererDetektor Pixeldetektor 93 cm 30 cm 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

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

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

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

  6. 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. 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

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

  8. n-Dotierung Si Si Si Si Si P Si Si Si Si Si Si Si Si P P Si Si Si Si Si Si Si Si Si Leitungsband Valenzband 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

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

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

  11. 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

  12. 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

  13. 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

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

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

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

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

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

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

  20. Messung mit Infrarotlaser BeispielbestrahlterDetektor 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

  21. Fitten mit „Matlab“ 10 Messungenübereinander Annahme Strom proportional zu n 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

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

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