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

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

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 3

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 4

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 5

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

hole conduction J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 7

8

- J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 9

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 10

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 11

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 12

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

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

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 15

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

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 17

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

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 19

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 20

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 21

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 22

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 23

24 Approximation of charge densities Maxwell equations:

25

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 26 R

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

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 28

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

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/( )

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

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

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

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

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 35 Guard ring

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 36

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

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

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

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 40

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

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 42 i)

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 43

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 44

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

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 46

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 47

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 48

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 49 iii)

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 50

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 51

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 52 analog readout

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 53 iv)

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

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 55

56

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 57 v)

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 58

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 59

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

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 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 5. DEPFET Bipolární tranzistor: Nepřipojený k obvodu Připojený k obvodu emitor báze kolektor

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

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.

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

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

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

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

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

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 71 avalanche photodiode

J. ŽáčekExperimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 72

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

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

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

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

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

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