Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden hochbestrahlte 3D-Sensoren auf ihre Funktionstüchtigkeit für einen Einsatz am sLHC untersucht. Um Teilchendurchgänge ohne großen Aufwand an einem Detektor zu erzeugen, werden die Messungen in einem Setup mit radioaktiver Quelle (90Sr) durchgeführt. Ein analoges Auslesesystem, das von der RD50-Kollaboration entwickelt wurde, wird in das vorhandene Setup integriert und mit einem binären Auslesesystem verglichen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Halbleiterdetektoren
2.1 Eigenschaften von Silizium
2.2 pn-Übergang
2.3 Funktionsweise von Halbleiterdetektoren
2.4 Rauschen
2.5 Energiedeposition von geladenen Teilchen in Materie
3 Strahlenschäden und Strahlenhärte
3.1 Strahlenschäden
3.1.1 Erhöhung des Leckstroms
3.1.2 Verringerung der Ladungssammlungseffizienz
3.1.3 Veränderung der effektiven Dotierungskonzentration
3.2 NIEL-Skalierungshypothese
3.3 Annealing
3.4 Ladungsmultiplikation
4 Siliziumstreifendetektoren
4.1 Detektorherstellung
4.1.1 Anforderungen an strahlenharte Siliziumstreifendetektoren
4.1.2 Herstellung des Siliziums
4.1.3 Fabrikation eines planaren Siliziumdetektors
4.1.4 Aufbau eines Siliziumstreifendetektors
4.2 3D Sensoren
4.2.1 Prinzip der 3D-Detektoren
4.2.2 Getestete Detektoren
5 Teststand mit radioaktiver Quelle
5.1 Teststände zum Vermessen von Detektoren
5.1.1 Probestation
5.1.2 Lasersetup
5.1.3 Betasetup
5.1.4 Testbeam
5.2 Versuchsaufbau des Betasetups
5.2.1 Radioaktive Quelle
5.2.2 Mechanischer Aufbau
5.2.3 Analoges Auslesesystem ALiBaVa
6 Messvorgang und Datenanalyse
6.1 C-V-Kurven
6.2 I-V-Kurven
6.3 Kalibration
6.4 Bestimmung des Pedestals
6.5 Messung des Rauschens
6.6 Messung der Ladungssammlungseffizienz
6.6.1 Vorbereitende Einstellungen
6.6.2 Bestimmung der Pulsform
6.6.3 Bestimmung des Signalspektrums
6.6.4 Ermittlung der gesammelten Ladung
6.6.5 Erstellen der Hitmap
7 Messergebnisse
7.1 Ergebnisse des unbestrahlten Sensors
7.2 Ladungssammlung der hochbestrahlten Sensoren
7.2.1 p-Typ-Detektoren
7.2.2 n-Typ-Detektoren
7.3 Charge Multiplication
7.3.1 Rauschen, Micro-Discharges und Occupancy
7.3.2 Untersuchung der Charge Multiplication
7.4 Zusammenfassung der bestrahlten Detektoren
8 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die Strahlenhärte von 3D-Siliziumstreifendetektoren, die für den Einsatz im SLHC (Super Large Hadron Collider) vorgesehen sind. Ziel ist es, das Verhalten hochbestrahlter 3D-Sensoren unter Verwendung eines analogen Auslesesystems (ALiBaVa) zu analysieren, insbesondere im Hinblick auf Ladungssammlungseffizienz, Rauschverhalten und den Effekt der Ladungsmultiplikation (Charge Multiplication).
- Strahlenhärte und Strahlenschäden in Siliziumdetektoren
- Aufbau und Funktionsweise von 3D-Siliziumsensoren
- Methoden der experimentellen Detektorcharakterisierung (Teststand, Lasersetup, Betasetup)
- Datenanalyse von Detektorsignalen und Ladungsmultiplikation
Auszug aus dem Buch
3.1 Strahlenschäden
Bei einem Siliziumdetektor treten nach einer hohen Bestrahlung Schäden an der Oberfläche und innerhalb des Detektors auf, jedoch unterscheiden sich diese beiden Schäden. Oberflächenschäden entstehen durch ionisierende Wechselwirkungen, indem im Siliziumdioxid Elektronen freigesetzt werden, die aus der Schicht nicht herauskommen können. Es bildet sich an der Kontaktoberfläche zum Silizium eine leitende Schicht aus Elektronen, die für p-Typ-Sensoren ein Problem darstellen, weil dadurch die n-dotierten Elektroden kurzgeschlossen werden.
Starke Schäden innerhalb des Siliziums beeinträchtigen die Funktionsfähigkeit als Spurdetektor und müssen genauer betrachtet werden. Verursacht werden die Schäden hauptsächlich durch Hadronen oder hochenergetische Leptonen, indem diese ein Atom aus dem Siliziumgitter schießen. An diesem Gitterplatz bleibt eine Leerstelle (Vacancy) übrig, während das herausgeschlagene Atom einen Zwischengitterplatz (Interstitial) einnimmt. Dieser Prozess findet nicht-ionisierend statt.
Das herausgeschlagene Atom kann durch den Stoß soviel Energie übertragen bekommen haben, dass es entlang seines Weges ionisiert oder weitere Atome aus dem Gitter schlägt. Wenn dieses Atom seine restliche kinetische Energie verliert, verursacht es eine hohe Dichte an Punktdefekten, die in Clustern zusammengefasst sind. Die Simulation eines möglichen Pfads des herausgeschlagenen Atoms ist in Abbildung 3.1 zu sehen. Die zur Schädigung des Detektors relevanten Effekte sind die Punktdefekte entlang des Weges und die Cluster am Ende der Reichweite von Atomen, während ionisierende Effekte keine Veränderungen im Kristallgitter hervorrufen.
Cluster werden hauptsächlich durch Hadronen erzeugt, während leichte Teilchen nur Punktdefekte bilden. Vacancy und Interstitial sind im Silizium sehr mobil und können durch das Gitter wandern. Auf ihrem Weg können sie sich wieder aufheben, sodass kein Schaden im Material entsteht. Jedoch können dabei weitere Schäden entstehen, indem z.B. mit Fremdatomen Punktdefekte bilden oder sich zwei Vacancies zu einem Di-Vacancy-Komplex zusammenschließen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt das Ziel, Elementarteilchen im Standardmodell zu untersuchen und die Notwendigkeit strahlenharter Detektoren für zukünftige Upgrades am LHC zu erforschen.
2 Halbleiterdetektoren: Erläutert die physikalischen Grundlagen von Silizium und pn-Übergängen sowie die allgemeine Funktionsweise von Halbleiterdetektoren.
3 Strahlenschäden und Strahlenhärte: Analysiert die Effekte von Strahlung auf Silizium, wie Leckstromerhöhung, Ladungsfang und die Hypothesen zur Skalierung von Strahlenschäden.
4 Siliziumstreifendetektoren: Behandelt die Herstellung von Silizium, den Aufbau planarer Streifendetektoren sowie das spezifische Konzept der 3D-Sensoren.
5 Teststand mit radioaktiver Quelle: Beschreibt die verschiedenen experimentellen Aufbauten, insbesondere das ALiBaVa-Auslesesystem und das Betasetup mit 90Sr.
6 Messvorgang und Datenanalyse: Detailliert die Methoden zur Messung von Kapazität, Leckstrom und der Ladungssammlung, einschließlich der Software-Kalibration und Rauschunterdrückung.
7 Messergebnisse: Präsentiert die experimentellen Daten zu unbestrahlten und hochbestrahlten Sensoren, insbesondere zur Ladungssammlungseffizienz und dem Phänomen der Ladungsmultiplikation.
8 Zusammenfassung und Ausblick: Fasst die Ergebnisse zusammen und bewertet die Eignung von 3D-Sensoren für zukünftige Experimente.
Schlüsselwörter
Siliziumstreifendetektoren, 3D-Sensoren, Strahlenhärte, Ladungssammlungseffizienz, Charge Multiplication, Strahlenschäden, Leckstrom, Rauschen, ALiBaVa, SLHC, Detektorcharakterisierung, Trapping, pn-Übergang, Signal-Rausch-Verhältnis
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Strahlenhärte von 3D-Siliziumstreifendetektoren, um deren Leistungsfähigkeit unter extremen Strahlungsbedingungen, wie sie am Super Large Hadron Collider (SLHC) zu erwarten sind, zu evaluieren.
Welche zentralen Themenfelder deckt die Arbeit ab?
Zentrale Themen sind die physikalischen Grundlagen von Halbleiterdetektoren, die Entstehung und Auswirkung von Strahlenschäden im Siliziumkristall, die Fertigungsprozesse von 3D-Sensoren sowie die experimentelle Bestimmung von Kennwerten unter Verwendung eines analogen Auslesesystems.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist die experimentelle Untersuchung der Funktionsfähigkeit hochbestrahlter 3D-Sensoren, insbesondere die Analyse, wie sich die Ladungssammlung und das Rauschen bei verschiedenen Strahlungsdosen und Betriebstemperaturen verändern.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden verschiedene experimentelle Methoden angewandt, darunter die Vermessung von Strom-Spannungs- (I-V) und Kapazitäts-Spannungs-Kurven (C-V) sowie die Bestimmung der Ladungssammlungseffizienz mithilfe von radioaktiven Quellen (90Sr) und dem ALiBaVa-Auslesesystem.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Einführung in Halbleiter und Strahlenschäden, die technologische Beschreibung der 3D-Detektoren sowie die detaillierte Darstellung der Messaufbauten und die anschließende Analyse der erzielten Messergebnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind Strahlenhärte, 3D-Siliziumdetektoren, Ladungsmultiplikation (Charge Multiplication), Ladungssammlungseffizienz, Leckstrom sowie das ALiBaVa-Auslesesystem.
Welche Rolle spielt die Ladungsmultiplikation in dieser Arbeit?
Die Ladungsmultiplikation ist ein entscheidendes Phänomen, das bei hochbestrahlten Detektoren beobachtet wird. Sie trägt dazu bei, dass trotz Strahlenschäden (wie Ladungsfang) eine ausreichende Signalgröße erreicht werden kann, was für den Einsatz im SLHC von großer Bedeutung ist.
Warum werden 3D-Sensoren gegenüber planaren Sensoren bevorzugt?
3D-Sensoren bieten den Vorteil kürzerer Driftstrecken für Ladungsträger, was sie resistenter gegenüber Ladungsfang-Effekten (Trapping) durch Strahlenschäden macht und eine effizientere Ladungssammlung bei Bestrahlung ermöglicht.
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- Jens Preiss (Author), 2010, Untersuchung von strahlenharten 3D-Siliziumstreifendetektoren mittels eines analogen Auslesesystems, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/299706
