Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Semiconductor (solid state) detectors 1.Introduction 2.Principle of semiconductors 3.Silicon detectors, p-n junction, depleted region, induced charge 4.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Semiconductor (solid state) detectors 1.Introduction 2.Principle of semiconductors 3.Silicon detectors, p-n junction, depleted region, induced charge 4."— Transkript prezentace:

1 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. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 1

2 1. Introduction J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 2

3 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 3

4 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 4

5 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 5

6 Principle of semiconductors J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 6

7 hole conduction J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 7

8 8

9 - J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 9

10 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 10

11 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 11

12 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 12

13 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

14 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky Silicon semiconductors, p – n junction Si:

15 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 15

16 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 16 n- type semiconductor

17 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 17

18 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 18 p- type semiconductor

19 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 19

20 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 20

21 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 21

22 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 22

23 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 23

24 24 Approximation of charge densities Maxwell equations:

25 25

26 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 26 R

27 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 27 d d d d

28 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 28

29 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 29 depletion region HV metal

30 30 Induced charge Q - charge in the depletion region page 25: but different coordinate frame, zero at the junction d - thickness of the depletion region,resistivity R=1/( )

31 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 31 i.e. If x(t) =0

32 32 Ex. /pair a good preamplifier needed, low noice

33 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 33 DC direct coupling, AC

34 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 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

35 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 35 Guard ring

36 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 36

37 J. ŽáčekExperimentální 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 Ω width of compensating region mm Si(Li), the noise is much greater then in normal Si cooling is needed

38 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 38 Energy resolution Fluctuation of energy losses in the depleted region Landau fluctuation

39 J. ŽáčekExperimentální 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

40 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 40

41 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 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

42 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 42 i)

43 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 43

44 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 44

45 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 45 R ii)

46 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 46

47 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 47

48 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 48

49 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 49 iii)

50 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 50

51 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 51

52 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 52 analog readout

53 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 53 iv)

54 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 54 Advantages and disadvantages

55 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 55

56 56

57 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 57 v)

58 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 58

59 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 59

60 J. ŽáčekExperimentální 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

61 J. ŽáčekExperimentální 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 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 63 5. DEPFET Bipolární tranzistor: Nepřipojený k obvodu Připojený k obvodu emitor báze kolektor

64 J. ŽáčekExperimentální 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

65 J. ŽáčekExperimentální 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.

66 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 66 DEPFET je FET vytvořený na plně vyčerpanén substrátu. Působí současně jako senzor a zesilovač

67 67 Top gate P –channel FET on a fully depleted n-bulk n-Si

68 J. ŽáčekExperimentální 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

69 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 69 clear mode - change of the FET conductivity, This difference ~to the total amount of collected charge

70 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky Semiconductor photon detectors APD - avalanche photodiode replace e.g. photomultipliers in calorimeters, very small devices, can be connected with fibers Usual photodiode

71 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 71 avalanche photodiode

72 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 72

73 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 73 HAPD - hybrid APD

74 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 74 SiPM Silicon Photon Multipliers depletion region

75 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 75 SiPM detects individual photons, current ~ to the number of fired pixels

76 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

77 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 77 (pixel ≡ photodiode) Pedestal ≡ noise

78 J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 78 3D detectors


Stáhnout ppt "Semiconductor (solid state) detectors 1.Introduction 2.Principle of semiconductors 3.Silicon detectors, p-n junction, depleted region, induced charge 4."

Podobné prezentace


Reklamy Google