metody eksperymentalne w fizyce wysokich energiihep.fuw.edu.pl/u/zarnecki/me09/wyklad04.pdf ·...

Metody eksperymentalne

w fizyce wysokich energii

prof. dr hab. A.F.ZarneckiZakład Czastek i Oddziaływan Fundamentalnych IFD

Wykład IV

• Detektory krzemowe

Wprowadzenie

Pierwsze detektory półprzewodnikowe: lata ’50 XX w. (pomiar energii)

Pierwsze próby wykorzystania do pomiaru pozycji: ∼1980 (NA32)

Lawinowy rozwój w latach ’90: eksperymenty przy LEP, SLC i Tevatronie.

Ogromne korzysci z rozwoju komercyjnych technologii...

Dzis nikt nie wyobraza sobie eksperymentu bez detektorów krzemowych...

A.F.Zarnecki Wykład IV 1

Półprzewodniki

Struktura pasmowaElektrony w pasmie walencyjnym sa“zwiazane” z danym atomem

Elektrony w pasmie przewodzenia sa“uwspólnione” - moga sie swobodnieprzemieszczac po całym krysztale.

Pasmo przewodzenia wypełnione⇒ przewodnik

Puste pasmo przewodzenia i duza przerwaenergetyczna ⇒ izolator

Puste pasmo przewodzenia ale mała prz-erwa energetyczna ⇒ półprzewodnik

A.F.Zarnecki Wykład IV 2

Półprzewodniki

Przerwa energetyczna“Mała” przerwa energetyczna: porównywalna z energia termiczna elektronów.

Temperatura pokojowa: kT ≈ 0.025 eV ⇒ przerwy rzedu 1 eV

Typowe materiały półprzewodnikowe:

Srednia energia jonizacji ∼ 3 × Eg

Prawdopodobienstwo samoistnego przejsciaelektronu do pasma przewodzenia

p ∼ exp

(

−Eg

kT

)

A.F.Zarnecki Wykład IV 3

Półprzewodniki

Rozkład Fermiego-DiracaPrawdopodobienstwo obsadzenia stanu oenergii E:

p(E) =1

exp(

E−EFkT

)

+ 1

EF - energia Fermiego, p(EF ) ≡ 0.5

Dla T → 0 półprzewodnik jest izolatorem.

W temperaturze pokojowej obsadzeniepasma przewodnictwa p ∼ 10−9

Ale to wystarcza! Koncentracja swobod-nych nosników n ∼ 1010/cm3

A.F.Zarnecki Wykład IV 4

Półprzewodniki

DomieszkowanieW krysztale krzemu kazdy atom ma 4wiazania, które tworza jego 4 elektronywalencyjne.

Bardzo nieliczne elektrony (∼ 10−9)przechodza do pasma przewodzenia po-zostawiajac dziure w pasmie walencyjnym

Liczbe wolnych nosników mozna zwiekszycwprowadzajac domieszki:

typu n - donorynp. P, As,...

pierwiastki V grupy

“nadmiarowy” elektron

typu p - akceptorynp. B...

pierwiastki III grupy

“brakujacy” elektron

“nadmiarowa” dziura

Typowe domieszki n ∼ 1012/cm3

A.F.Zarnecki Wykład IV 5

Złacze pn

Półprzewodniki typu n i typu p pozostaja el. obojetne.

Nadmiar/niedobór elektronów kompensowany jestładunkiem jonów domieszek (nieruchomuch).

Róznica koncentracji elektronów⇒ róznica poziomów Fermiego

Przy zetknieciu nastepuje przepływ ładunków az dowyrównania poziomów:

A.F.Zarnecki Wykład IV 6

Złacze pn

Szerokosc warstwy zubozonej:

Bez zewnetrznego napiecia:

W =

√

2ǫ

NeVpn

Nd = Na = N - koncentracja domieszek

Vpn - róznica potencjału na złaczu

ǫ - stała dielektryczna (∼ 1pF/cm)

Obszar zubozony mozna powiekszacprzykładajac dodatkowe napiecie

W =

√

2ǫ

Ne(V + Vpn)

W =√

2ǫρµ(V + Vpn)

V - napiecie w kierunku zaporowym

ρ - przewodnictwo (∼ 1 − 10kΩ · cm)

µ - ruchliwosc ładunków (v = µ · E)µe ≈ 1350cm2V −1s−1

µh ≈ 450cm2V −1s−1

W odróznieniu od detektorów gazowychruchliwosci elektronów i dziur sa do siebiezblizone

A.F.Zarnecki Wykład IV 7

Złacze pn

Obszar zubozony moznapowiekszac przykładajacdodatkowe napiecie

Uzyskujemy czesciowelub całkowite zubozeniediody.

Obszar zubozony ⇒ pole elek-tryczne, brak ładunków

Obszar nie zubozony ⇒ ładunkiswobodne, brak pola

Rozmiar obszaru zubozonegomozemy mierzyc poprzez po-miar pojemnosci złacza:

A.F.Zarnecki Wykład IV 8

Detektory krzemowe

Komora jonizacyjnaSpolaryzowana zaporowo dioda półprzewodnikowa działa jak komora jonizacyjna

Przechodzaca czastka jonizuje półprze-wodnik ⇒ tworzy pary elektron (wpasmie przewodnictwa) - dziura.

Pole elektryczne powoduje dryf elek-tronów w kierunku anody i dziur wkierunku katody ⇒ przepływ pradu

Straty na jonizacje w krzemie: dEdx ≈ 3.88 MeV/cm

⇒ około 100 par e − h na kazdy µm grubosci złacza (tyle co 1cm gazu)

⇒ detektory krzemowe nie wymagaja powielania ładunku !

A.F.Zarnecki Wykład IV 9

Detektory krzemowe

SPIdetektor germanowy na satelicie INTEGRAL

Pomiar widma promieniowania γ

Mierzona całkowita jonizacja powstajaca wwyniku oddziaływania fotonu w diodzie.

Brak pomiar pozycji...

A.F.Zarnecki Wykład IV 10

Detektory krzemowe

Krztałt impulsuPodobnie jak w przypadku detektorówgazowych, kształt rejestrowanego impulsuodzwierciedla ruch ładunków w złaczu.

Duza ruchliwosc ładunków, cienkie złacze⇒ bardzo krótkie impulsy

Równomierny rozkład pierwotnej jonizacji⇒ równy wkład od elektronów i dziur

W przypadku jednorodnego pola elek-trycznego (v=const) kształty impulsówpochodzacych od elektronów i dziurpowinny byc płaskie.

A.F.Zarnecki Wykład IV 11

Detektory paskowe

Detektory pozycyjneZwykła dioda nie dostarcza zadnej informacji o pozycji czastki.

Ale w jednym detektorze mozemy wytworzyc wiecej złacz i uzyskac w ten sposób do-datkowa informacje. Jest kilka mozliwosci:

detektor paskowy

takze dwustronny ⇒

detektor pikslowy

detektor dryfowy

A.F.Zarnecki Wykład IV 12

Detektory paskowe

Zasada działaniaNa jednym podłozu typu n tworzymy paskitypu p, z których ładunek wyprowadzanyjest przez metalowe styki.

Napiecie polaryzujace doprowadzane przezrezystory

A.F.Zarnecki Wykład IV 13

Detektory paskowe

Technologia produkcjiKrzem uzyskiwany jest z piasku. Pochemicznym oczyszczeniu przetapianyjest wraz z domieszkami.

Polikrystaliczny krzem jest nastepnie topi-ony warstwowo w specjalnym piecu⇒ monokryształ

Ciety piła diamentowa na plastry oodpowiedniej grubosci (300-500µm),nastepnie polerowany

A.F.Zarnecki Wykład IV 14

Detektory paskowe

Technologia produkcji

• utlenianie powierzchni (800-1200 C)

• fotolitografia + trawienie

• wprowadzanie domieszek

• metalizacja

⇒ najprostszy typ detektora gotowy...

A.F.Zarnecki Wykład IV 15

Detektory paskowe

Technologia produkcjiNa jednym plastrze tworzonych jastnaogół wiele elementów

Plaster musi zostac pociety, a nastep-nie wykonane układy musza zostac przylu-towane do “podstawek”

A.F.Zarnecki Wykład IV 16

Detektory paskowe

ATLASPojedynczy sensor: 64 × 64mm2

768 pasków grubosci 12µm, co 80µm

∼ 3500 połaczen drucikami 25µm Al

Precyzja pomiaru połozenia ∼ 16µm

Detektor ATLAS: 15’552 sensoryłacznie 61m2, 6.3 mln. pasków

Dwa sensory wraz z elektronika odczytowa

A.F.Zarnecki Wykład IV 17

Detektory krzemowe

Detektory paskowe zapewniaja pomiar pozycji tylko w jednym wymiarze

(choc mozliwe jest uzyskanie pasków po obu stronach).

Krzemowy detektor dryfowyPodobnie jak w gazowej komorze dry-fowej, znajac czas dryfu ładunków moznaokreslic pozycje w drugim wymiarze

(pierwsza współrzedna z pozycji złacza)

Konieczne jest zapewnienie wysokiej czys-tosci i jednorodnosci sensora, dokładnakontrola napiecia i temperatury...

Wykorzystane np. w eksperymencie ALICEprzy LHC

A.F.Zarnecki Wykład IV 18

Detektory pixlowe

Problem odczytu paskowego - tło kombinatoryczne.

Przy duzej krotnosci czastek bardzo utrudnia rekonstrukcje torów.

Rozwiazanie: podział detektora na piksle.

Podstawowy problem: odczyt sygnałów ze wszystkich kanałów !

Hybrid Active Pixel Sensors (HAPS)

W detektorze ATLAS elektronika odczytowadetektora pikslowego polaczona z elektro-dami odczytowymi poprzez “mikro kuleczki”

Łacznie 1.4 · 108 piksli

A.F.Zarnecki Wykład IV 19

Detektory pixlowe

Detektor pixlowy CMSTakze oparty na Hybrid Active Pixel Sensors (HAPS)

Rozmiar pixli: 100 × 150µm2 (ATLAS: 50 × 400µm2)

A.F.Zarnecki Wykład IV 20

Detektory krzemowe

Zniszczenia radiacyjneW wyniku oddziaływania czastek jonizujacychi neutronów powstaja defekty sieci.

Pojawiaja sie dodatkowe poziomy energety-czne, zwieksza sie przewodnictwo.

Zmienia sie efektywny typ domieszkowania.n → p

W pewnym zakresie zmiany mozna kompen-sowac zmieniajac odpowienio napiecie po-laryzujace diode ⇒

A.F.Zarnecki Wykład IV 21

Detektor pikslowe

CCDRozwój technologii półprzewodnikowych doprowadził do powstania nowych koncepcjiodczytu detektorów pikslowych

Odpowiednie domieszkowanietworzy studnie potencjału, wktórej zbiera sie ładunek.

Przy pomocy przykładanegonapiecia mozna ładunekprzesuwac w kierunkukanału odczytowego

A.F.Zarnecki Wykład IV 22

Detektory pixlowe

CP CCDCCD pozwala odczytac macierzmilionów piksli przy uzyciu jed-nego kanału elektroniki.

proste i tanie, ale czesto zbytwolne

wrazliwe na zniszczenia radia-cyjne

Szybkosc odczytu mozna istot-nie zwiekszyc czytajac kazdakolumne oddzielnie

Column Parallel CCD (CPCCD)

A.F.Zarnecki Wykład IV 23

Detektory pixlowe

DEPFETŁadunek spływa do bramki tranzystora FETi tam sie gromadzi.

Kazda kolumna ma swój wzmacniacz,wybór rzedu przez przyłozenie napiecia.

A.F.Zarnecki Wykład IV 24

Detektory pixlowe

MAPSwarstwa aktywna bez pola(tzw. warstwa epitaksjalna)

ładunki powstajace w wyniku jonizacjirozpływaja sie isotropowo

zbierane sa na złaczach rozłozonych napowierzchni

technologia CMOS umozliwia integracjeelektroniki odczytowej na powierzchnisensora

technologia przemysłowa⇒ stosunkowo tania

A.F.Zarnecki Wykład IV 25

Detektory pixlowe

MAPSWyniki testów detektora MAPS, rozmiar pixla 30 × 30µm

Rozkład mierzonego sygnału.

Dobrze opisany przez konwolucjerozkładu Landaua z rozdzielczosciaaparaturowa

Q [a.u.]0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

even

ts

1

10

210

310

410

mµDESY 6 GeV 14

Maksimum sygnału ∼ 15 − 20 × szum⇒ wysoka efektywnosc detekcji (> 99%)

Dokładnosc wyznaczenia pozycjiDUT

x

y

Y [mm]∆ X ∆−0.01 −0.005 0 0.005 0.01

even

ts

0

500

1000

1500

2000

2500

DESY 6 GeV

σ ≈ 3µm (≈ 110 piksla !)

A.F.Zarnecki Wykład IV 26

Detektory pixlowe

MAPSWyniki testów detektora MAPS, rozmiar pixla 30 × 30µm

Bład pozycji vs pozycja na pikslu.

Pozycja wyznaczana metoda srodkaciezkosci (CoG)

[mm]pixelX − X−0.02 0 0.02

X [m

m]

∆

−0.03

−0.02

−0.01

0

0.01

0.02

0.03

Position shiftPosition shift

Pojedyncza czastka “zapala” srednio 4pixle ⇒ systematyczny bład pozycji za-lezny od punktu przejscia czastki

Pozycja CoG po zastosowaniu poprawki(tzw. funkcja Eta)

[mm]pixelX − X−0.02 0 0.02

X [m

m]

∆

−0.03

−0.02

−0.01

0

0.01

0.02

0.03

Position shiftPosition shift

wyznaczana z danych poprawka prawiecałkowicie eliminuje efekty systematyczne

A.F.Zarnecki Wykład IV 27

Detektory pixlowe

ISIS In-situ Storage Image Sensor

Waskim gardłem pikslowych detektorów krzemowych jest odczyt - koniecznosc transferuogromnych ilosci danych.

W przypadku detektorów dla ILC rozwiazaniem moze byc sensor z pamieciaumozliwiajaca buforowanie pomiarów:

Wiazka ILC: ∼3000 przeciec co ∼400 ns, nastepnie ∼ 200 ms przerwy

A.F.Zarnecki Wykład IV 28

Detektory pixlowe

3DNowa koncepcja

Obszar zubozony wytwarzany pomiedzydomieszkowanymi “kolumnami”prostopadłymi do powierzchni sensora.

⇒ krótrza droga/czas dryfu

⇒ mniejsze napiecie zasilania

⇒ wieksza odpornosc na zniszczeniaradniacyjne

Niestety skomplikowane (⇒ drogie)

Ale obiecujacy kierunek rozwoju...

A.F.Zarnecki Wykład IV 29

Detektory krzemowe

Podsumowanie

W najblizszych latach bez watpienia technologie detektorów krzemowych beda dalejintensywnie rozwijane... (dla SLHC, ILC/CLIC i innych)

A.F.Zarnecki Wykład IV 30