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