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Lorentzwinkelmessungen an bestrahlten Silizium

1. N Gasaussto Ventil A M Ventil B Jumbo Warmrohr W rme tauscher Temperatur steuerung Heizung 20 W Hybrid Dewar Temperatur mit mit sensor Detektor LN PT100 Abbildung 4 20 Die Temperatursteuerung im Lorentzwinkelsetup Zwei Ventile regeln die Grobeinstellung der Temperatur ber den Flu von war men und kalten Stickstoff Die Feinregelung bernimmt die Temperatursteue rung den Da aber auch der Temperaturbereich um T 130K vermessen werden sollte mu te das Setup erweitert werden Die Lorentzwinkelmessungen werden nun in einem Temperaturbereich von T 77K bis T 300K durchgef hrt In Abbildung 4 20 ist das f r diese Messungen verwendete Setup dargestellt Mit Hilfe eines W rmetauschers der in fl ssigen Stickstoff LNa getaucht wird kann gasf rmiger Stickstoff bis etwas ber die Temperatur von fl ssigem Stickstoff T wa 77 K abgek hlt werden Zwei Ventile steuern das Verh ltnis zwischen warmem und kaltem Stickstoff und regeln die Flu geschwindigkeit des Gases Ventil A regelt die Menge des warmen Stickstoff und Ventil B die des kalten Stickstoffes Beide Leitungen werden ber ein T St ck zusammengef hrt und das gemischte Gas in das Warmrohr eingelassen wo es nahe der Position des Hybriden ausstr mt Mit dieser Erweiterung kann jede Temperatur von T 77K bis Raumtemperatur eingestellt werden Als problematisch erweist sich jedoch das Halten einer konstanten Temperatur Mit sehr feinen Einstel
2. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 UIV Abbildung 3 6 Leckstr me der bestrahlten und unbestrahlten Detektoren Mit der Bestrahlungsst rke steigt der Leckstrom stark an Die H he des Leckstroms des unbestrahlten Detektors KAVI liegt mehrere Potenzen unter den bestrahlten Die Leckstr me steigen wurzelf rmig mit der wachsender Spannung an Die Messungen wurden bei Raumtemperatur durchgef hrt 3 3 MESSUNGEN AN DEN HERA B TESTSTRUKTUREN 31 Kapazit t gemessen Aus dem hierbei ersichtlichen Knick l t sich die Depleti onsspannung bestimmen Sie steigt mit der Bestrahlung Aus e Vja D zzz Ness D 3 10 mit D der Dicke des Detektors folgt f r die effektive Dotierungsdichte Nef Vra2esieo Ness Da 3 11 z ss a 5V f 1kHz KAI x KAII KAIII a N x KAVI 10 w N at N x N 7 10 10 i i m EB 1 DMS 1 i Eci 10 100 U V Abbildung 3 7 CV Kurven der Hera B Teststrukturen Vergleich des Kapazit t Spannungsverhaltens bei unterschiedlichen Strahlungs dosen Das Abflachen der Kurven bei hohen Spannungen gibt die Depletions spannung an Der erste Knick bei kleinen Spannungen ist die Flachbandspan nung Vrg Die Kurven wurden mit einer Frequenz von f 1kHz und einer Am plitude von a 5 V aufgenommen Val pte KAI KAII KAIII KAVI KAVIII Tabelle 3 2 Rahmendaten der bestrahlten und unbestrahlten Teststrukturen Depletionspannung Vfa effekt
3. ee ee ee ee ee ee ii i lo a i iy e Abbildung 5 8 Rohdaten und Extraktion des Signals Dargestellt sind die Rohdaten aus dem ADC gestrichelte Linie die extrahierte Pulsh he durchgezogene Linie und das Signal zu Rausch Verh ltnis gepunk tete Linie 5 3 Beschreibung der Datennahmesoftware In den n chsten Unterkapiteln werden das entwickelte Hauptprogramm und die zugeh rigen Unterprogramme detailliert beschrieben Bevor das Programm gestartet werden kann wird mit dem Hilfsprogramm resman die Hardware ini tialisiert 5 3 BESCHREIBUNG DER DATENNAHMESOFTWARE 67 5 3 1 Das Fenster ShowChannels Das Fenster ShowChannels ist das Hauptprogramm mit dem das Auslesese tup gesteuert wird Die Bedienoberfl che ist in Abbildung 5 9 dargestellt Das Fenster enth lt Graphen mit den Pedestals und dem Rauschen eines Detektors Zwei Histogramme zeigen den Common Mode und das durchschnittliche Rauschen eines Chips Average Noise an In einem gro en Fenster werden die Daten des ADCs dargestellt Es lassen sich gleichzeitig die Pedestals PED das Rauschen NOI die unbearbeiteten ADC Werte ADC die extrahierte Pulsh he PH und das Signal zu Rausch Verh ltnis S N anzeigen Dieses Fenster besitzt noch keine Datennahmefunktionalit t Es eignet sich vor allem f r den Test eines neuen Hybriden Verrauschte oder tote Kan le und Pinholes welche den Algorithmus zur Extraktion der Pulsh he fehlleiten k nnen festgeste
4. 4 4 DIE TEMPERATURSTEUERUNG 55 lungen an beiden Ventilen mu die Temperatur des gemischten Gases an die Zieltemperatur angen hert werden Die Einstellung einer Temperatur kann so mehrere Stunden in Anspruch nehmen Wechselnde Umgebungstemperaturen werden durch das Vereisen des Schlauches der den kalten Stickstoff f hrt und das Wegbrechen des Eises um den Schlauch verursacht Dies kann eine eingestellte Temperatur zum Ausbrechen veranlassen Durch die Verwendung des Isoliermaterials Armaflex um die Schl uche kann das Vereisen verringert und das sich gebildete Eis zus tzlich vor dem Abbrechen gesch tzt werden Um die langen Einstellzeiten zu verringern wird eine Temperatursteuerung verwendet Die Temperatursteuerung regelt eine Heizung die sich an der Mitte des GFK Stabes befindet Da er die Feineinstellung der Temperatur ber nimmt mu an den Ventilen nur noch grob die Gr enordnung der Temperatur eingestellt werden Die Heizung besteht aus einem 20cm langen Kupferrohr mit einem Au endurchmesser von d 5mm um den Widerstandsdraht mit einem spezifischen Widerstand von p 2 7 Q m gewickelt wurde Der gesamte Widerstand betr gt etwa R 15 Q Sie wird mit einem Strom zwischen 1 A und 1 5 A betrieben Mit P UI RI ergibt dies eine Heizleistung zwischen 15 und 33 75 W Da der W rme bertrag des Kupferrohrs auf die durchstr mende Luft zu gering ist wird eine vielfasrige Kupferlitze in das Rohr eingelassen Die Oberfl che des
5. H Gajewski et al Tosca Handbuch Karl Weierstrass Institut f r Mathematik Berlin 1992 D Grae el Simulation des Ladungstransportes in Halbleiterdetekto ren mit dem Programmpaket ToSCA Rheinisch Westf lische Techni sche Hochschule Aachen 1998 1 Physikalisches Institut Lehrstuhl B F Hartmann Entwicklungsarbeit am CDF Spurendetektor f r das CDF Eperiment am Tevatron Institut f r Experimentelle Kernphy sik der Universit t Karlsruhe IEKP 2000 IEKP KA 2000 11 S Heising Halbleiterdetektoren f r Hochenergie Experimente bei tie fen Temperaturen und starken Magnetfeldern Institut f r Experi mentelle Kernphysik Universit t Karlsruhe 1999 IEKP KA 99 26 S Hornung Rimikis High Magnet Facilities at the Forschungszen trum Karlsruhe Institut fiir Technische Physik Forschungszentrum Karlsruhe 1999 H Ibach und H L th Festk rperphysik Springer 1995 ISBN 3 540 58575 3 L Jones PreMux128 Specification 1995 Version 2 3 L Jungermann Charakterisierung von Halbleiterbauelementen bei kryogenen Temperaturen Institut fiir Experimentelle Kernphysik der Universit t Karlsruhe IEKP 2000 IEKP KA 2000 1 95 96 Kuh69 lab98 Las LBS2 Mey95a Mey95b Mol99 MX197 Put86 RC99a RC99b RCOO R d98 Sap95 See73 Sto94 Szesl Literaturverzeichnis A Kuhn Halbleiter und Kristallz hler Akademische Verlagsgesell schaft 1969
6. Die Strahlendosis der Hera B Teststrukturen 29 Rahmendaten der bestrahlten und unbestrahlten Teststrukturen 31 Eingangssignale des Premux128 Chips 42 Eindringtiefe A von Licht in Silizium 44 Die Temperaturme widerst nde PT100 55 Hallstreufaktor bei verschiedenen Temperaturen 87 Lorentzwinkel in unbestrahlten Detektoren nahe Raumtemperatur 90 Lorentzwinkel in unbestrahlten Detektoren bei T 77K 90 Lorentzwinkel im bestrahlten Detektor KAl bei T 260K 9 Lorentzwinkel im bestrahlten Detektor KAl bei T 77K 9 IX Kapitel 1 Einleitung Speicherringexperimente dienen dazu die Umgebungsbedingungen unmittelbar nach dem Urknall zu simulieren Extrem hohe Energiedichten die durch die Kollision beschleunigter geladener Teilchen entstehen helfen neue bislang nicht nachgewiesene Teilchen zu produzieren Von den Beschleunigerexpe rimenten erhofft man sich Hinweise zur L sung folgender Fragen Woraus besteht Dunkle Materie Wieso existiert mehr Materie als Antimaterie in unserem sichtbaren Teil des Universums Wieso wurde die Symmetrie zwischen schwacher Kernkraft und elektromagnetischer Kraft bei einer Energie von etwa 200 GeV gebrochen Und damit zusammenh ngend Gibt es das Higgs Teilchen Der gr te Beschleuniger der Large Electron Positron Collider LEP wurde am CERN gebaut Seit 1996 l uft er mit einer Energie von ber 90 GeV pro Strahl L
7. Energie 5 43A Gitterabstand Abbildung 2 2 Bildung der B nder im Festk rper aus diskreten Energie zust nden am Beispiel von Silizium Die senkrechte gestrichelte Linie gibt den Gleichgewichtsabstand benachbarter Siliziumatome zueinander an Eingezeichnet ist das Valenz das Leitungsband und die Energiel cke Eg im Gleichgewichtsabstand Aus Sze81 Der energetische Abstand E zwischen Valenz und Leitungsband wird Bandl cke genannt Je nach Lage der B nder zueinander und der Gr e der Bandl cke unterscheidet man zwischen Metall Halbmetall Halbleiter und Isolator Ein Metall zeichnet sich durch ein besetztes Valenzband und ein teilweise gef lltes Leitungsband aus Ein Halbmetall besitzt am absoluten Nullpunkt ein fast gef lltes Valenzband und ein fast leeres Leitungsband wobei sich die B nder energetisch berlappen Ein Halbleiter besitzt eine hnliche Konfiguration wird am absoluten Nullpunkt jedoch zu einem Isolator Zwischen Valenz und Leitungsband befindet sich die Bandl cke Sie hat bei L cke Gap engl 2 1 HALBLEITER IM B NDERMODELL 5 Silizium ein Breite von 1 12eV und bei Germanium eine Breite von 0 67 eV Durch thermische Anregung k nnen Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband angeregt werden Sie hinterlassen im Valenzband die soge nannten L cher Diese tragen genauso wie Elektronen im Leitungsband zum Ladungstransport bei Ein Isolator schlie lich besitzt ebenfalls eine Bandl c
8. berliegenden Seite folgen die p Implantate Der p n bergang liegt somit bei den p Implantaten Die Seite mit den l ngeren Streifen ist die mit den n dotierten Streifen n Seite die andere die mit den p dotierten Streifen p Seite Die n Seite hat einen Pitch von 80 um die p Seite einen von 50 um Die Auslesestreifen sind ber 1 MQ Widerst nde mit dem Biasring verbunden Sie haben die Form von Schlangenlinien um ihre Leitungsl nge und damit ihren Widerstand zu erh hen Um ihn herum befinden sich die Guardringe Die Teststrukturen sind mit kapa zitiv gekoppelte Auslesestreifen ausgestattet Das bedeutet da die Implantate durch den Isolator SiOz von den Auslesepads genannt AC Pads getrennt sind Der Hybrid Der Hybrid ist in den Abbildungen 4 5 und 4 6 dargestellt Der Detektor ist auf eine Ausfr sung des PCBs geklebt Die Auslesepads sind durch die 0Pitch Abstand der Mitten zweier benachbarter Streifen PCB Printed Circuit Board 4 2 DER VERSUCHSAUFBAU UND SEINE KOMPONENTEN 39 Abbildung 4 6 Seitenlayout des Hybriden mit der p Seite des Detektors Unter einem Winkel von 45 befindet sich in der Mitte der Premux128 Chip mit Pitch Adapter und Detektor Auf der rechten Seite des Detektors befindet sich der PT100 Widerstand Bondingtechnik leitend mit dem Pitch Adapter verbunden Bei dieser Tech nik wird 25 um starker Aluminiumdraht durch Ultraschall mit den Pads ver schwei t Der Pitchadapter erleichtert
9. cm Theorie Linien 1 5 von Np 1 10 cm 10 Np 1 10 cm Aus LB82 6 4 DER HALLSTREUFAKTOR 89 2 5 p i all 2 0 pi 1 0 I 0 5 0 70 120 170 220 270 T K Abbildung 6 9 Die gemessenen Werte des Hallstreufaktors ry in Abh ngigkeit von der Temperatur Aus dem Vergleich des Lorentzversatzes der DAVINCI Simulationen und dem gemessenen Lorentzversatz kann der Hallstreufaktor bestimmt werden U 100V B 4T Np 6 66 10 cm 90 KAPITEL 6 ERGEBNISSE 6 5 Die Lorentzwinkel Aus der Dicke des Detektors Az und dem gemessenen Lorentzversatz Ar ergibt sich der Lorentzwinkel A tan Oz x 6 2 A Oz arctan 6 3 6 5 1 Lorentzwinkel in unbestrahlten Detektoren Die folgenden Tabellen geben die Lorentzwinkel in unbestrahlten Detektoren mit einer gemessenen Dotierungskonzentration von Np 6 66 10 cm an Mit einer durchschnittlichen Dicke der aktiven Zone der Detektoren von Az 280 um ergibt sich Elektronen K L cher 270 K ao 34 in 8 te er 170 Tabelle 6 2 Lorentzwinkel in unbestrahlten Detektoren nahe Raumtempera tur Aus dem Lorentzversatz ergibt sich bei einer durchschnittlichen Dicke der aktiven Zone der Detektoren von Az 280 um der Lorentzwinkel Angegeben ist der Lorentzwinkel f r Elektronen und L cher Der Gr tfehler betr gt f r Elektronen und L cher bei den angegebenen Temperaturen etwa 6 Elekt
10. dx keV um 1 0 1 0 01 0 1 1 10 E MeV Abbildung 3 1 Energieverlust von Elektronen in Silizium Der Energieverlust hat ein Minimum bei E 1 5 MeV Dieses Minimum wird als Referenz zur Definition eines Minimal Ionizing Particle kurz MIP verwen det Nach Kuh69 Abbildung 3 1 zeigt den Energieverlust von Elektronen in Silizium Zu er kennen ist ein Minimum des Energieverlustes bei einer Energie von 1 5 MeV Dieses Minimum wird als Referenz zur Definition eines Minimal Ionizing Par ticle kurz MIP verwendet Ungeladene Teilchen wie zum Beispiel Neutronen k nnen nicht ber die elek tromagnetische Wechselwirkung nachgewiesen werden Sie werden ber Streu ung von Neutronen an Atomkernen und neutroneninduzierte Kernreaktionen detektiert 3 1 2 Wechselwirkung von Photonen mit Silizium Licht wechselwirkt in Materie auf drei Arten Man unterscheidet zwischen dem Photoeffekt der Comptonstreuung und der Paarbildung Der Photoeffekt steht f r die Absorption eines Photons im Atom un ter gleichzeitiger Emission eines gebundenen Elektrons Die Energie des emittierten Photons ist die Energie des einfallenden Photons abz glich der Bindungsenergie des Elektrons im Atom Die Einstein Gleichung definiert die Energie des Elektrons zu Erin hw Ebina Der freie Zustand im Atom wird unter Freisetzung der Bindungsenergie durch ein Photon wieder besetzt Durch einen neuen lonisationsprozess kann dieses Photon ein weiteres freies Elektron
11. sn p n und der Ladungsschwerpunkt des Signal zu Rausch Verh ltnis ses x sn p n 5ROOT Weiterentwicklung des Programms Physics Analysis Workstation PAW 74 KAPITEL 5 DIE AUSLESESOFTWARE Logging Fenster Timingprogrammierung Programmierung des RAM 1 und des RAM 2 der LEPSI Treiberkarte mit den spezifischen Timingeinstellungen eines Auslesechips berpr fung der korrekten Daten bernahme in die beiden RAMs Fenster Setup Anzahl der Auslesestreifen Detektorauswahl Debugging Modus Pfadangabe zur Speicherung der Rohdaten und der Logfiles Testpuls Modus e Option Average Noise Threshold zur Feinabstimmung der Common Mode Berechnung Option Bad Noise Upper Threshold zur Vernachl ssigung verrauschter Streifen bei der Common Mode Berechnung Optionen Conv_Del zur zeitlichen Feinabstimmung des ADC Samplings Fenster ShowChannels Berechnung der Pedestals und des Rauschens Analyse des Auslesechips und des Detektors mittels Histogrammen und direkter Beobachtung der Streifen zur Darstellung des Common Modes und des Rauschens Noise Option DAC zur Addition eines Spannungsoffsets zum Signal Option Skip Clocks zum Verwerfen von Taktzyklen beim Einschwingvorgang des internen Oszillators der Treiberkarte Einstellung der Anzahl der Daten Runs Option Save To Disk zum Logging der genommenen Pedestals und des Rauschens Automatic Timer Mode Sta
12. 4 3 DER SUPRALEITENDE MAGNET JUMBO 51 4 3 Der supraleitende Magnet Jumbo Alan ali TT 1 LN 4 2K NbTi Spulen Tim Detektor NbSn Spulen Abbildung 4 17 Querschnitt des JUMBO Kryostaten Zu sehen sind die verschiedenen Schichten welche die W rmeisolierung sicher stellen Von au en nach innen besteht Jumbo aus einer Vakuumkammer gefolgt von der LNa Kammer T 77K Es schlie t wieder ein Vakuumkammer an welche die LNa von der gro en inneren LHe Kammer des Jumbo Kryostaten trennt Nach Hor99 Vom Institut f r Technische Physik des Forschungszentrums Karlsruhe wurde der supraleitende Magnet Jumbo zur Verf gung gestellt Er besteht aus supraleitenden NbTi und Nb3Sn Spulen die mit fl ssigem Helium LHe gek hlt werden Um den Heliumverbrauch der K hlung niedrig zu halten setzt sich der Kryostat aus verschiedenen isolierenden Kammern zusammen Eine Querschittszeichnung ist in Abbildung 4 17 zu sehen Die erste u ere Kammer ist eine Vakuumkammer Sie sch tzt die inneren Kammern vor Erw rmung Als n chstes folgt die Fl ssig Stickstoffkammer LNa mit T 77K Eine weitere 52 KAPITEL 4 DIE MESSUNG DES LORENTZWINKELS Vakuumkammer trennt diese von der Fl ssig Heliu
13. AC Pads sind von Streifen zu Streifen leicht versetzt Sie sind an jedem Streifenende doppelt vertreten i Biasring eir i Bias Widerst nde zueinander versetzte AC Pads Abbildung 4 4 Bild der p Seite der Hera B Teststruktur Die p Seite des Detektors hat einen Pitch von 50 um Die Streifen sind um 90 gegen ber der n Seite gedreht 4 2 1 Detektor und Hybrid Der Detektor Die Teststrukturen die zur Messung des Lorentzwinkels verwendet wurden kamen aus der Hera B Produktion und wurden vom Max Planck Institut in M nchen zur Verf gung gestellt Sie besitzen die Ma e 8 x 25 mm Ihre Dicke betr gt etwa 300 um Es sind doppelseitige Detektoren Auf beiden Seiten 38 KAPITEL 4 DIE MESSUNG DES LORENTZWINKELS Abbildung 4 5 Seitenlayout des Hybriden mit der n Seite des Detektors Die oberen Pfostenbuchsen sind sowohl der Anschlu der Steuersignale f r den Premux128 Chip als auch der Anschlu f r die Ausgangssignale Unter einem Winkel von 45 ist in der Mitte der Premux128 Chip mit Pitch Adapter und Detektor zu erkennen Der linke Stecker ist der Anschlu zu Auslese des PT100 Widerstands Der senkrecht nach oben zeigende Stecker auf der rechten Seite dient dem Anlegen der Depletionsspannung des Detektors befinden sich Auslesestreifen Die Teststrukturen bestehen aus n dotiertem Silizium an den sich auf jeder Seite st rker dotierte Streifen anschlie en Sie werden als n Implantate bezeichnet Auf der gegen
14. Adressraum A24 address 2 und die verwendete Datenbreite D16 width 2 5 2 Die Rohdatenbearbeitung finn Aa A an u TEL he y dha Wey aa Chip 1 Chip 2 Da m a om Mom m te ro dam Al u mm Te di ie i a oo En oo he Kandit Abbildung 5 4 Die Pedestals des Detektors KA10 Die Kan le 1 128 geh ren zu dem Auslesechip der die p Seite des Detektors ausliest die Kan le 129 256 zu dem der die n Seite ausliest Die ADC Daten k nnen in ihrer urspr nglichen Form nicht zur Berechnung des Lorentzversatzes verwendet werden Die Rohdaten m ssen mit einem Algo rithmus bearbeitet werden um das Signal zu extrahieren Die Rechenleistung eines PC Systems reicht aus um die Rohdatenbearbeitung gleich w hrend der Auslesephase durchzuf hren Dem Signal sind zwei Offsets berlagert Der erste Offset die sogenannten Pedestals variieren von Kanal zu Kanal Sie bleiben zeitlich konstant sind aber spannungs und temperaturabh ngig Deswegen m ssen sie bei Ver nderung einer dieser Parameter neu berechnet werden Dies geschieht indem der Detektor mehrmals ausgelesen wird und aus den genommenen Daten der Mittelwert der Pulsh hen eines jeden Kanals berechnet wird Der Laser darf hierbei nicht angeschaltet sein da ein Signal die Offsetberechnung verf lschen w rde In den folgenden Formeln stehen die Variablen i f r die Nummer des Auslese streifens c f r die Nummer des Auslesechips n f r die Nummer des Auslese zyklus und nmaz f r die ma
15. Anhang A for n 0 n lt nChip n for s n 128 s lt n 128 128 s PH s ADC s Pedis COM n PH s 128 for s n 128 s lt n 128 128 S PHIs COMin avern PH s PH s 128 avern sqrt avern avers 0 for s n 128 s lt n 128 128 s if fabs PH s lt AvnThresh Avern avers PH s count avers count for s n 128 s lt n 128 128 s OldAvn avern s for s n 128 s lt n 128 128 s if fabs PH s lt AvnThresh OLDAvn Pen PH s PH s count sqrt avern count Avn n avern for s 0 s lt nStrip s SNIs PHIs Noils Pr fungserkl rung Hiermit versichere ich da ich die vorliegende Arbeit selbst ndig verfa t noch nicht anderweitig f r Pr fungszwecke vorgelegt keine anderen als die angege benen Quellen oder erlaubten Hilfsmittel benutzt sowie w rtliche oder sinn gem e Zitate als solche gekennzeichnet habe Karlsruhe den 103
16. DEREN a RE SE TER Sa EN 1 056 um 1 066 um 1 0764m RES 0 inm 2nm div Abbildung 4 13 Spektrum des 1060 nm Lasers Nach Las 4 2 4 Treiberkarte und Flash ADC Die Treiberkarte und der ADC von LEPSI sind Steckkarten fiir den VME Bus Die Treiberkarte Die LEPSI Treiberkarte kann dazu verwendet werden Signale f r unterschied liche Auslesechips zur Verfiigung zu stellen In dieser Arbeit wurde sie fiir den Betrieb mit dem Premux128 Chip programmiert Sie stellt einen Lemo Eingang 48 KAPITEL 4 DIE MESSUNG DES LORENTZWINKELS Abbildung 4 14 Positionierung der Fasern auf dem Hybrid Die 1060 nm Fasern werden senkrecht zum Detektor eingespannt Fasern de ren Licht haupts chlich an der Oberfl che Ladungstr ger erzeugen 650 nm SLD k nnen in einem Winkel so eingespannt werden da sowohl das Licht der 1060 nm Faser als auch das der 650 nm bzw der SLD Faser an der gleichen Stelle auftrifft zur Verf gung der zur Triggerung verwendet wird und zwei Lemo Ausg nge von denen einer verschieden belegt werden kann der andere einen g ltigen Trigger anzeigt Zwei LEDs signalisieren den Status der Karte Die Auslese eines Detektors beinhaltet zwei Phasen Eine Datennahmephase und eine Auslesephase Am Beispiel des Premux128 Chips besteht die Datennahmephase darin simultan alle Streifen mittels der Signale S1 und S2 auszulesen und zu speichern Wird nun das Triggersignal gesetzt weil ein Teilchen den Detektor durchquert u
17. Drift der Ladungstr ger verl uft nicht mehr parallel zu den elektrischen Feldlinien sondern unter einem Winkel zu diesen Der Win kel hei t Lorentzwinkel Abbildung 2 10 definiert ein Koordinatensystem f r die folgenden Rechnungen Das elektrische Feld zeigt in Richtung der x Achse das magnetische Feld zeigt in Richtung der y Achse Die Drift der Ladungs tr ger erfolgt in der x z Ebene Die Lorentzkraft lenkt die Ladungstr ger in x Richtung ab In einem r umlichen begrenzten Leiter macht sich dies durch den sogenannten Halleffekt bemerkbar Er wird zum Beispiel verwendet um direkt die Ladungstr gerkonzentration und den Ladungstr gertyp zu bestim men Ladungstr ger werden durch das magnetische Feld von ihrer linearen Bahn entlang des elektrischen Feldes abgelenkt und sammeln sich an der r umlichen Grenze des Leiters Dort bildet sich ein Feld aus das der weiteren Ansammlung von Ladungstr gern entgegenwirkt das Hallfeld Ep Mit 7 cE gilt Es Ryj By RuoE B py ByE 2 22 wobei Ry der Hallfaktor die Leitf higkeit 7 die Stromdichte und By die ma gnetische Flu dichte in den jeweiligen Richtungen darstellen Die Hallmobilit t up ist definiert als up Ryo 2 23 und unterscheidet sich von der Driftmobilit t up durch einen Faktor den Hall streufaktor rz Er ist temperaturabh ngig und f r Elektronen und L cher ver schieden Unter der Voraussetzung da eine Ladungstr gerart dominiert 2 4 DER LOR
18. Driftweg zur Zielelektrode abgelenkt Werden Elektronen zum Beispiel nahe der negativen Elektrode erzeugt so m ssen sie durch die ganze Dicke des Detektors zur positiven Elektrode wandern und werden demnach stark abgelenkt Werden sie jedoch nahe der positiven Elektrode erzeugt haben Sie nur noch wenig Driftweg vor sich und ihre Ablenkung ist entsprechend klein Demnach verbreitert sich 44 KAPITEL 4 DIE MESSUNG DES LORENTZWINKELS Abbildung 4 10 Bild der Repeaterkarte Flanschsystem am oberen Ende des GFK Stabes mit aufmontierter Repeater karte das Signal im Vergleich zur Ladungstr gererzeugung mit dem 650 nm Lasers Berechnet man den Ladungsschwerpunkt des abgelenkten Signals so erwartet man bei der Simulation des MIPs etwa die H lfte der Ablenkung bei der Verwendung des 650 nm Lasers Die SLD bietet die M glichkeit gezielt tiefer im Detektor Ladungstr ger zu injizieren Dies kann von Vorteil sein wenn die Eindringtiefe des 650nm Lasers nicht ausreicht um in den aktiven Teil des Detektors vorzudringen Dieses Problem kann bei Raumtemperatur auftreten da hier die Eindringtiefe des 650nm Lasers nur 3 um die der SLD jedoch 15 um betr gt Tabelle 4 2 zeigt die Eindringtiefe in Abh ngigkeit von der Wellenl nge und der Temperatur Lichtquelle Wellenl nge A Eindringtiefe A 300K Eindringtiefe A 77K 1060 nm 830 nm 650 nm Tabelle 4 2 Eindringtiefe A von Licht in Silizium 4 2 DER VERSUCHSAUFBAU UND SEINE KOMPONEN
19. LHE p32 By Ex 1 uB Zm L bye pa By Ez z n 1 u3 B 2 32 Der Wert des Hallstreufaktor ry ergibt sich aus der Boltzmann Transporttheorie F r kleine Magnetfelder mit der Bedingung upB 1 ergibt sich der Hallstreufaktor zu Be lt T gt rH 2 33 Weiterf hrende Darstellungen findet man in See73 Bla85 Put86 2 5 Abh ngigkeit des Lorentzwinkels von Spannung und Temperatur Nach Unterkapitel 2 4 l t sich der Lorentzwinkel n herungsweise beschreiben als tan ruupB 2 34 Die Spannungsabh ngigkeit des Lorentzwinkels ist aus Gleichung 2 34 nicht sofort ersichtlich Betrachtet man jedoch Abbildung 2 11 so erkennt man eine S ttigung der Driftgeschwindigkeit mit dem elektrischen Feld F r kleine elektrische Felder gilt f r die Geschwindigkeit der linerar Zusammen hang Unip Ins 2 35 Die Temperaturabh ngigkeit des Lorentzwinkels steckt in den Faktoren ry und up Abbildung 2 12 zeigt die Driftmobilit t f r Elektronen und L cher bei verschiedenen Dotierungen in Abh ngigkeit von der Temperatur Bei Tempera turen ber T 200K und Dotierungskonzentrationen unter Np 4 101 cm f r Elektronen und N4 10 4 cm f r L cher besteht der Zusammenhang LB82 2 5 ABH NGIGKEIT DES LORENTZWINKELS VON SPANNUNG UND TEMPERATUR 19 10x10 Driftgeschwindigkeit cm s Abbildung 2 11 Abh ngigkeit der Driftgeschwindigkeit vom elektrischen Feld Die gestrichelte Linie stellt die li
20. MXI 2 Nat l Insts VME MxI 2 Unknown Unknown 3 Driver Unknown Unknown JY ASALI0 INSTR amp ASAL11 INSTR amp ASAL12 INSTR amp ASAL13 INSTR Abbildung 5 1 T amp M Explorer Initialisierung des MXI 2 und des VME Busses ber das Programm Test amp Measurement Explorer karte dargestellt VME Adresse C10000h 4h C10004h Die verwendeten Einstellungen f r den Zugriff auf beide Karten lauten e Adressraum A24 24 Bit e Datenbreite D16 16 Bit e Privileg Non privileged Data Access Die Datenerfassungssoftware wurde mit der Programmiersprache G geschrieben Hierzu wurde die Programmierumgebung LabVIEW der Firma National Instruments verwendet Das G steht f r graphische Software entwicklung Elemente einer Programmiersprache wie zum Beispiel logische Operatoren und Unterprogramme stehen als Symbole zur Verf gung Varia blen entsprechen Leitungen mit denen die Symbole verbunden werden Die Verwendung von LabVIEW bietet den Vorteil auf einfache Art und Weise graphisch ansprechende Programme in kurzer Zeit zu programmieren Die Ein und Ausgabe erfolgt ber vorgegebene symbolische Regler Schalter und Graphen verschiedener Art Programme werden VIs genannt Eine Kompilierung ist nicht notwendig Die einfache Programmierung bedingt eine langsamere Ausf hrungsgeschwindigkeit Bei rechenintensiven Algorithmen empfiehlt es sich deswegen konventionelle Programmiersprachen zu verwenden In LabVIEW stehen
21. Phasen gliedern der Datennahmephase und der Auslesephase In Einzelschritten funktioniert der Double Correlated Sampler wie folgt Beginn der Datennahmephase 1 Beide Schalter S1 und S2 werden geschlossen Die Kondensatoren werden mit den Streifen verbunden Das Shift_In Signal liegt noch nicht an 2 Der Schalter S1 wird ge ffnet und der Streifen vom Kondensator getrennt Der Kondensator h lt die angelegte Spannung Die Grundlinie des Ein gangs ist somit gespeichert 42 KAPITEL 4 DIE MESSUNG DES LORENTZWINKELS Jetzt ist der Chip sensitiv f r die Detektierung von Ladungstr gern Ein Teilchen oder ein Laserpuls erzeugt ein Signal Dieses Zeitfenster wird Window genannt Nach der Shaping Zeit der Zeit in der das Signal aus dem Pulsformer maximal wird wird der Schalter S2 ge ffnet und der Streifen vom zu geh rigen Kondensator getrennt Er h lt die angelegte Spannung und die Signalspitze ist gespeichert Die Auslesephase Der Token wird ber das Shift_In Signal in das Schieberegister gegeben und von Kanal zu Kanal mit den Taksignalen 1 und 2 weitergereicht Die Signale eines jeden Kondensatorpaares werden nacheinander auf den differentiellen Ausgang gegeben Ende der Datennahmephase Sl und S2 werden zu Beginn der n chsten Datennahmephase geschlossen Beide Kondensatoren entladen sich Der Zyklus beginnt von vorn Der Premux128 Chip bietet noch die M glichkeit der Kalibration Vier Kalibrat
22. Weil die Fl che unter der Pulsform konstant bleiben 6 1 DER GEMESSENE LORENTZVERSATZ 81 mu da die detektierte Ladung ebenfalls konstant bleibt verringert sich die Pulsh he Zum Vergleich zeigt Abbildung 6 3 die Pulsform des Lorentzversatzes bei 255 K Da die Mobilit t bei h heren Temperaturen niedriger ist wird auch der Lorentzversatz kleiner 1060 nm KAI irradiated with 10 p cm 21 MeV T 125 Kelvin dain y tme LA fr Lf ua T E Di SO aes mon F zas Abbildung 6 2 Der Versatz der Pulsformen des 1060 nm Lasers bei T 125K Mit dem 1060 nm Laser kann ein MIP simuliert werden Wegen der Ladungs tr gererzeugung entlang des Strahlweges durch den Detektor kann auch der Versatz von L chern gemessen werden Das Einbrechen der Pulsform auf der n Seite bei Streifen 184 deutet auf ein Pinhole oder einen defekten Bond hin 82 KAPITEL 6 ERGEBNISSE 1060 nm KAI irradiated with amp 10 p em 21 MeV T 255 Kelvin daed nme O O N lj nA TIE Fr maena 120 pma PH 50 reside signal me oT PAA 40 0 AT p E00 ET te p side signal Abbildung 6 3 Der Versatz der Pulsformen des 1060 nm Lasers bei T 255 K Wegen der kleineren Mobilit t bei dieser Temperatur f llt der Versatz der Elek tronen und L cher geringer aus 6 2 DER LORENTZVERSATZ IN ABH NGIGKEIT VON DER SPANNUNG 83 6 2 Der Lorentzversatz in Abh ngigkeit von der Spannung x T electrons T 77K B 4T E E Meas
23. a iro al wH am izg mis IQ am E T EN aos TAFTI i an 204 10 TEE TEE ie ow oe ET Kandie Abbildung 5 6 Das Rauschen der Streifen des Detektors KA10 Die Kan le 1 bis 128 sind mit den Streifen der p Seite des Detektors verbunden die Kan le 135 bis 188 mit den Streifen der n Seite des Detektors Zwischen den Kan len 30 und 40 deuten zwei Rauschspitzen auf zwei Pinholes hin Drei Kan le mit niedrigem Rauschen sind zwischen den Kan len 160 und 190 zu erkennen Sie deuten auf defekte Bonds oder auf sogenannte Breaks hin Abbildung 5 6 zeigt das Rauschen des Detektors KA10 Der erste Chip mit den Kan len 1 bis 128 ist mit der p Seite des Detektors verbunden Der zweite Chip liest die n Seite des Detektors aus Hier sind nicht alle Eingangskan le des Chips mit dem Detektor verbunden sondern nur die Kan le 135 188 Das Rau schen ist abh ngig vom Eingangsstrom in die Verst rker des Premux128 Chip und von der Kapazit t eines Streifens Die kleineren Streifen der p Seite ver ursachen weniger Rauschen als die l ngeren Streifen der n Seite Zwischen den Streifen 30 und 40 kann man zwei Spitzen des Rauschens erkennen Sie stammen von sogenannten Pinholes An diesen Streifen ist die kapazitive SiO2 Kopplung auf dem Detektor gesch digt Die Auslesestreifen sind leitend mit den Eingang kan len des Premux128 Chips verbunden Der Eingangsstrom dieser Kan le hat sich stark erh ht Dies kann auch bei der Beoba
24. anderen sind Durch br che der SiO gt a Schicht zu erwarten Die Detektoren w ren nicht mehr zu funktionsf hig Eine Verfahrensweise die anderen Detektoren trotzdem zu verwenden w re der Einsatz zweier Spannungsquellen unter Definition eines gemeinsamen mittleren Potentials welches mit dem Premux128 Auslesechip auf Masse l ge Kapitel 4 Die Messung des Lorentzwinkels In diesem Kapitel wird das Prinzip der Lorentzwinkelmessung und der verwen dete Versuchsaufbau detailliert beschrieben 4 1 Das Prinzip der Messung Abbildung 4 1 zeigt das Prinzip der Lorentzwinkelmessung Rote Laser mit ei ner geringen Eindringtiefe A strahlen auf beide Seiten des Detektors ein Nahe der Oberfl che werden Ladungstr ger erzeugt Nur jeweils eine Ladungstr ger komponente driftet durch den Detektor und erf hrt w hrend der Drift eine Ablenkung aufgrund des magnetischen Feldes Das Maximum des Signals wird dadurch verschoben Der Lorentzversatz von Elektronen und L chern wird ge trennt gemessen Da die Ladungstr ger in verschiedenen Tiefen des Detektors erzeugt werden erfahren sie einen unterschiedlich gro en Lorentzversatz der die Pulsform verbreitert Zur Simulation eines MIPs kommt ein infraroter Laser zum Einsatz Die Eindringtiefe seines Lichts ist gr er als die Dicke des Detektors Entlang des Strahlweges werden im ganzen Detektor Ladungstr ger erzeugt Die Pulsform verbreitert und verkleinert sich bei angelegtem Feld 33 34 KA
25. bergang in das komplement re Gebiet berquert haben F r die Ladungsdichte wird angesetzt 0 f r se Sa eN f r dp lt x lt 0 eNp f r O lt r lt d 0 f r z gt dn p z 2 5 Na und Np stellen die Akzeptor und Donatorkonzentrationen dar Elektrische Feldst rke und Potential lassen sich durch ein bzw zweimaliges Integrieren der Poissongleichung mit geeigneten Randbedinungen berechnen PV x _ pl Be eo Die elektrische Feldst rke verschwindet am Rand der Raumladungszonen Das Potential wird am Rande der p Seite zu null gesetzt dn und dp sind die Breiten der verarmten Zonen Mit E d E d 0 ergeben sich f r die Feldst rken Das I 2 Bie ca 5 2 7 a x T0 Meta Mit V4 d 0 und der Stetigkeitsbedingung V4 0 Vp 0 gilt Va z 2 Fd 2 8 Vp z Ap a daw a Die gesamte Potentialdifferenz zwischen den R ndern der Raumladungszone ergibt sich zu Npd m Nad 2 2 Voes Vp dn lt Vaif f 2 9 Sie hei t Diffusionsspannung Weiter gilt Ladungsneutralit t Npdn Nady 2 10 2 3 DER SILIZIUM STREIFENDETEKTOR 9 Mit den Gleichungen 2 9 und 2 10 lassen sich nun die Breiten der verarmten Zonen berechnen Es ergeben sich ETA Vaiss Sn 2 11 n e Na Np J 2EVyurr Np Na 2 e Na Np Abbildung 2 6 fa t die Schottkyn herung und die Ergebnisse zusammen 2 3 Der Silizium Streifendetektor Ein einseitiger Silizium St
26. die der p Seite Die Schwankungen beider Seiten belaufen sich auf etwa 3K Die Temperaturschwankungen der Heizung betragen bis zu 33K die des geregelten Gases etwa 20K 7GPIB General Purpose Interface Bus 100000 10000 9120000 TEE MA IS 1600 120000 TEE 130000 DC 08 2000 142000 134k 2000 10 IE IN I TH Ta 12000 Tag 1 1 Abbildung 4 21 Temperaturaufzeichnung eines Me tages Aufgetragen sind die Temperaturen auf der p und n Seite des Detektors und die Temperatur des umgebenden Luftflusses 2 und 4 Punkt Messung ber der Me zeit ONNYHNALSUNLVYHANAL HIA 77 LG ca i i Abbildung 4 22 Vergleich der Temperaturen des Hybriden von n und p Seite Die Temperaturen der Heizung und des Gases am Ausla bilden eine Einh llende um die Temperaturen des Hybriden ae u rm Ei mL 8G STAMNIMZLNAHOT SAC ONNSSHIN 4IA 7 IALIdVM Kapitel 5 Die Auslesesoftware In diesem Kapitel wird die Rohdatenbearbeitung die Softwareentwicklung die entwickelten Datenerfassungsprogramme und die Auswertungssoftware beschrieben 5 1 Die Softwareentwicklung Die Software wurde auf einem WINDOWS NT 4 0 System entwickelt da hier die Treiberunterst tzung f r die verwendeten Interfacekarten von National Instruments gegeben war Mit ihnen wurde das Programmpaket NI VXI ge liefert Es enth lt unter anderem die Programme resman und T amp M Explorer Jede VME Karte besitzt einen bestimmten Adressraum in dem ihre inter
27. ei nem Modenfeld von 6 2 um Die Stecker beider Fasern waren nicht angeschliffen Die genaue Bezeichnung beider Faserarten lautet BFWHM Full Width Half Maximum 46 KAPITEL 4 DIE MESSUNG DES LORENTZWINKELS lt a 50 3 4 m 40 35 30 25 20 15 10 5 a i a a 1 0 500 1000 1500 2000 Vin mV 1 0 1 25 b c gai 1 0 o 0 67 ozs 3 2 3 2 2 z eo D H a S S 04 2 9 0 os lt 2 f L E N 0 2 0 25 Lau m nu un PE lsrs a bis te BR Ws ar eR pi 0 10 2p u ap 0 60 10 0 10 20 30 40 50 60 70 Strom mA Strom mA Abbildung 4 11 Kennlinien des Lasersystems a Transkonduktanz des OPA2662 von Burr Brown b Ausgangsleistung des 650nm Lasers in Abh ngigkeit vom Eingangsstrom der Laserdiode c Aus gangsleistung des 1060 nm Lasers in Abh ngigkeit vom Eingangsstrom der La serdiode Nach Las SMC 4 3SM 620 3 FC0 SMC 6 2SM 970 3 FCO 4 2 DER VERSUCHSAUFBAU UND SEINE KOMPONENTEN 47 SPECTRUM UNIT MS9701B 99 06 11 10 07 j R B B S N 17530 imW 44mA T 20 C imW 1004W div ENVELOPE EUT L 172 ic 0 6504 um SOQAW Ak 0 52nm anes coo ae ie FE 1 RU EN ER EN FR 0 6404 4m 0 6504 um 0 6504 um Abbildung 4 12 Spektrum des 650 nm Lasers Nach Las SPECTRUM UNIT MS9701B 99 06 11 08 58 S N 17526 imW 28mA MKR Ce 04a be Saat o D T 20 C Sw AVG 1004W div ENVELOPE CUT L 1 2 Ac 1 06524m 5004W Al 0 S6rm a Ce
28. erzeugen welches nachgewiesen werden kann 3 1 WECHSELWIRKUNG DER STRAHLUNG MIT MATERIE 23 Der Comptoneffekt ist die Streuung eines Photons an einem freien Elektron Es gibt einen Teil seiner Energie an das Elektron ab und wird unter einem Winkel abgelenkt Die Paarbildung stellt die M glichkeit f r ein Photon dar in ein Elektron Positron Paar zu zerfallen Aus Gr nden der Energie und Impulserhaltung tritt dieser Effekt nur im elektromagnetischen Feld eines Atoms auf Ein Photon kann nicht gleichzeitig seine ganze Energie und seinen ganzen Impuls auf das Elektron Positron Paar bertragen Bei vollst ndiger Energie bertra gung ist der Impuls des Paares kleiner als der des Photons Der bersch ssige Impuls kann bei Anwesenheit eines geladenen Teilchens auf dasselbe bergehen Im reinen Silizium Kristall befinden sich in der Bandl cke keine einnehm baren Energiezust nde Sie hat eine Gr e von Eg 1 12eV Da es nicht nur berg nge von Valenzbandkante zu Leitungsbandkante gibt sondern auch berg nge aus Zust nden innerhalb des Valenzbandes in Zust nde innerhalb des Leitungsbands ist die mittlere Energie die bei der Erzeugung eines Elektron Loch Paares aufgewendet wird gr er Zus tzlich ist Silizium ein indirekter Halbleiter Zur Anregung eines Elektrons aus dem Valenzband mit minimaler Energie mu es Impuls aus dem Gitter aufnehmen Dieser Prozess ist unterdr ckt Befindet sich das Elektron nach der Anregung in der
29. hierf r die sogenannten CINs zur Verf gung Mit ihnen lassen sich vorkompilierte in C geschriebene Programme einbinden Die 3VI Virtual Instrument 4CIN Code Interface Node 5 1 DIE SOFTWAREENTWICKLUNG 61 Vl Inkesarctres Carienl Abbildung 5 2 Das Programm VXI Interactive Control Mit diesem Programm k nnen Zugriffe aller Art auf den VME Bus getestet werden Gezeigt wird eine Lesezugriff auf Adresse C 10004h Extraktion der Signale aus den Rohdaten erfolgt w hrend der Datenerfassung Die Rohdaten werden mit C Programmen bearbeitet und ber die CINs in das Hauptprogramm der Datenerfassung integriert Start Stop FLAM Base Adress _ Abbildung 5 3 Beispiel der Programmierung unter LabVIEW Dieses Unterprogramm ist ein Teil des Quellcodes und demonstriert den Regi sterzugriff auf den Flash ADC Bei der Softwareentwicklung war es notwendig einige Unterprogramme zu schreiben welche die Grundfunktionen der Treiberkarte und des Flash ADCs zur Verf gung stellen Es mu ten die Register beider Karten programmiert werden LabVIEW stellt die Routinen VXJout und VXlin zur Verf gung um den Zugriff auf den VME Bus zu steuern Sie sind Teil einer Bibliothek die 62 KAPITEL 5 DIE AUSLESESOFTWARE vor der Verwendung initialisiert werden mu Abbildung 5 3 zeigt eines der erstellten Unterprogramme Es schreibt einen boolschen Wert in das Register 2006h des Flash ADCs Die verwendeten Parameter regeln den Zugriff auf den
30. nen Register liegen ber sie erfolgt die Programmierung der Karten Die Basi sadressen der Treiberkarte und des Flash ADCs k nnen ber kleine Stellr der auf ihren Platinen konfiguriert werden Die Basisadresse der Treiberkarte lag bei C10000h die des Flash ADCs bei C20000h Das Programm T amp M Explorer verwaltet die Einstellungen der Basisadressen Es weist jeder Karte eine logische Adresse LA zu So wurden der Treiberkarte die LA 380 und dem Flash ADC die LA 370 zugewiesen In Abbildung 5 1 ist die Konfiguration des T amp M Explorers f r das verwendete Setup dargestellt Das Programm resman greift auf die im T amp M Explorer gespeicherten Daten zu und initialisiert die MXI 2 und die VME Hardware Um den korrekten Zugriff auf die Karten zu testen kam das Programm VXI Interactive Control aus Abbildung 5 2 zum Einsatz Mit diesem Programm ist es m glich jeden Zugriff auf den VME Bus und auf seine Karten manuell durchzuf hren So lassen sich zum Beispiel Register Interrupts und Trigger le sen und schreiben ber den Erfolg eines Zugriffs informieren 10 Status Bits Hier sind die korrekten Einstellungen zum Lesen des Registers 4h der Treiber lresman resource manager T amp M Test amp Measurement 59 60 KAPITEL 5 DIE AUSLESESOFTWARE gt T amp M Explorer System View Iof x File Edit View Tools Help uols System View z E g T amp M System PCI MxI 2 Nat l Insts PCI MXI 2 3 3 MxI 2 Bus 0 Eg VXI Frame 1 VME
31. sondern haupts chlich in Verbindungen wie zum Beispiel in SiOa also in Sand In reiner Form kristallisiert es in der Diamantstruktur Sie t t sich beschreiben als zwei geeignet ineinandergestellte kubisch flachenzentrierte Gitter Jedes Si Atom ist von 4 benachbarten Si Atomen tetraedrisch umgeben Die interatomaren Bindungen werden durch sp Hybridisierungen realisiert Das Siliziumgitter ist in Abbildung 2 1 a dargestellt Daneben befindet sich 3 KAPITEL 2 GRUNDLAGEN ZUM VERST NDNIS EINES 4 HALBLEITERDETEKTORS das Gitter von Galliumarsenid GaAs welches in der Zinkblendestruktur kristallisiert Atome besitzen diskrete Energiezust nde welche die Elektronen nach dem Pauliprinzip einnehmen Festk rper dagegen weisen Bandstrukturen auf in welchen die einnehmbaren Zust nde ein Kontinuum bilden Grund hierf r ist der berlapp zwischen den Elektronenwellenfunktionen benachbarter Atome In Abbildung 2 2 wird die Bandaufweitung als Funktion des interatomaren Abstands im Festk rper im Falle eines tetraedrisch gebundenen Halbleiters wie Silizium oder Diamant Kohlenstoff gezeigt Die diskreten Energiezust nde der s und p Wellenfunktionen verbreitern sich und bilden schlie lich das Valenzband und das Leitungsband Die gestrichelte Linie gibt den Gleichge wichtsabstand benachbarter Atome in Silizium an Diese beiden B nder sind die wichtigsten im Festk rper weil sie die F higkeit zum Ladungstransport definieren Elektronen
32. tiven Zone der Detektoren Az 280 um der Lorentzwinkel Angegeben ist der Lorentzwinkel f r Elektronen und L cher Der Gr tfehler betr gt f r Elektro nen und L cher bei den angegebenen Temperaturen etwa 10 92 KAPITEL 6 ERGEBNISSE Kapitel 7 Zusammenfassung Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein PC basierter Versuchsaufbau zur Messung von Lorentzwinkeln erstellt Die Software zur Steuerung eines AD Wandlers und einer Treiberkarte f r die Auslese von Streifendetektoren wurde program miert Es wurden Lorentzwinkel in Abh ngigkeit von der Depletionsspannung und der Temperatur sowohl bei unbestrahlten als auch bei bestrahlten Detekto ren gemessen Die Pulsformen wurden untersucht und durch den Vergleich von Davinci Simulationen mit den gemessenen Daten konnte der Hallstreufaktor im Temperaturbereich von 77K bis 300K bestimmt werden Neuere Forschungen auf dem Gebiet kryogen betriebener Detektoren machten es notwendig den Lorentzwinkel auch bei tiefen Temperaturen zu messen Es stellte sich heraus da der Lorentzwinkel von Elektronen von 34 bei 280 K auf 80 bei vollst ndiger Depletionsspannung von 40 V steigt Durch berdepletion kann der Lorentzwinkel gesenkt werden Bei 300 V und 77K betr gt der Lorentzwinkel nur noch 46 Es standen f nf bestrahlte Hera B Teststrukturen zur Verf gung die mit Protonen der Energie von 21 MeV unterschiedlichen Flusses bestrahlt wurden Sie wurden auf makroskopische Symptome der Strahl
33. und bestrahlten Detektoren zu kennen Diese Arbeit umfa t sechs Kapitel Das erste Kapitel beschreibt die theo retischen Grundlagen zum Verst ndnis eines Halbleiterdetektors das zweite Kapitel besch ftigt sich mit dem Effekt von Strahlensch den am Beispiel der Hera B Teststrukturen Kapitel 3 beschreibt das verwendete Setup zur Mes sung von Lorentzwinkeln Im Kapitel 4 werden die Softwareentwicklung und die Me programme behandelt Kapitel 5 zeigt die Ergebnisse der Messungen und das letzte Kapitel gibt eine kurze Zusammenfassung dieser Arbeit 3RD Research amp Development 4ROSE Kollaboration Research and development On Silicon detectors for future Experiments Bestrahlte Detekoren die bei Raumtemperatur nicht mehr funktionsf hig waren zeigten nach Abk hlung auf etwa 130 K wieder bis zu 70 des Signals Lazarus wurde nach 4 Tagen von den Toten erweckt Die Bibel Johannes 11 CMS Compact Muon Solenoid Kapitel 2 Grundlagen zum Verst ndnis eines Halbleiterdetektors 2 1 Halbleiter im B ndermodell Abbildung 2 1 Diamant a und Zinkblendestruktur b Reines Silizium kristallisiert in der Diamantstruktur Galliumarsenid kristalli siert in der Zinkblendestruktur Aus Sze81 Das Element Silizium welches in der 4 Hauptgruppe und in der 3 Periode des Periodensystems steht folglich 4 Valenzelektronen und 3 Hauptschalen besitzt bildet zu etwa 25 die Erdkruste Trotzdem ist es kaum in reiner Form zu finden
34. wird auch der Versatz der L cher gemessen Da die Mobilit t der L cher etwa um den Faktor drei geringer ist f llt auch der Versatz entsprechend geringer aus 79 80 KAPITEL 6 ERGEBNISSE 650 nm p side KAI irradiated with 4 10 p em 21 MeV T 156 Kelvin dala hme uy I7 aA THK Se rieo TEI r side signal p tide signal oT AAA AT ET BT pee Abbildung 6 1 Der Versatz der Pulsformen des 650 nm Lasers bei T 156 K Der Laser wurde auf die p Seite des Detektors gestrahlt Eine weitere Beobachtung ist da die Form der Pulse bei h herem Mag netfeld breiter wird Der Grund hierf r liegt im Folgenden Bei OT werden die Ladungskomponenten entlang des Laserstrahls im Halbleiter erzeugt und driften parallel zu ihm an die Elektroden Ein r umlich begrenzter Puls entsteht Bei angelegtem magnetischen Feld werden die im Detektor erzeugten Ladungen unterschiedlich weit abgelenkt Die Ladungstr ger die zur gegen berliegen den Seite driften erfahren aufgrund ihres l ngeren Driftweges eine gr ere Ablenkung Die Ladungstr ger die schon nahe ihrer Zielelektrode erzeugt werden erfahren nur eine kleine Ablenkung Der Puls verbreitert sich also vom Durchsto punkt des Lasers bis zum Punkt der maximalen Ablenkung der Ladungstr ger im Detektor Durch diese Verbreiterung reduziert sich der Lorentzversatz bei der Ladungs tr gererzeugung des simulierten MIPs im Vergleich zu der mit dem 650 nm Lasers auf die H lfte
35. 13 p cm 0 3 Eu Simulation 1 0 7 0 2 E i 0 1 E 0 G L L L L L L 1 L L L L 1 L L L L 1 L L e L L L 1 1 1 0 100 200 300 Voltage V Abbildung 6 5 Der Lorentzversatz der L cher im bestrahlten und im unbe strahlten Detektor in Abh ngigkeit von der Spannung Die Linien zeigen Simulationen mit dem Programm DAVINCT Die Simulatio nen wurden f r L cher mit einem Hallstreufaktor von ry 0 7 durchgef hrt 6 3 DER LORENTZVERSATZ IN ABH NGIGKEIT VON DER TEMPERATUR 85 6 3 Der Lorentzversatz in Abh ngigkeit von der Temperatur x T electrons U 100V B 4T 1c E Epe Measurement e not irr P E O e 1el3 p em on E N Simulation r 1 15 0 6 E 0 4 0 2 E joe aia y fe a a ae a a Se CO 100 200 300 Temperature K Abbildung 6 6 Der Lorentzversatz der Elektronen im bestrahlten und im un bestrahlten Detektor in Abh ngigkeit von der Temperatur Die Linien zeigen Simulationen mit dem Programm DAVINCI Die Simulatio nen wurden f r Elektronen mit einem Hallstreufaktor ry 1 15 durchgef hrt Abbildungen 6 6 und 6 7 zeigen die Variation des Lorentzversatzes mit der Temperatur Die Mobilit t ist temperaturabh ngig und steigt mit sinkender Temperatur Der Lorentzversatz wird also mit sinkender Temperatur gr er Die Werte der Elektronen und L cher des bestrahlten Detektors liegen unterhalb von 170K ber denen des unbestrahlten Detektors Bei 77K liegt der Versatz der Elektronen etw
36. 4 19 4 20 4 21 4 22 5 1 5 2 5 3 5 4 5 9 5 6 5 7 5 8 5 9 5 10 5 11 5 12 5 13 5 14 5 15 5 16 6 1 ABBILDUNGSVERZEICHNIS Layout der p Seite des Hybriden 2 4 39 Die Funktionsweise des Premux128 Chips 40 Schaltkreis des Double Correlated Samplers im Premux128 Chip 41 Oszilloskopbild des differentiellen Ausgangssignals 43 Bild der Repeaterkarte 2 2 2 on nn nn 44 Kennlinien des Lasersystems 2 2 2 En nn 46 Spektrum des 650nm Lasers 2 2 2 2 Emmen 47 Spektrum des 1060 nm Lasers 2 2 2 Eon 000004 47 Positionierung der Fasern auf dem Hybrid 48 Die Signale der Datennahmephase 49 Die Signale der Auslesephase 2 2 2 2 2 a 49 Querschnitt des JUMBO Kryostaten 2 2 2222 51 Die Jumbo Konfigurationen 2 2 2 222er 52 Simulation des Spuleninnern bei B 10T 53 Die Temperatursteuerung im Lorentzwinkelsetup 54 Temperaturaufzeichnung eines Me tages 2 2 2 2 2 57 Vergleich der Temperaturen des Hybriden von n und p Seite 58 Initialisierung des MXI 2 und des VME Busses 60 Das Programm VXI Interactive Control 2 22 2222 2 2020 61 Beispiel der Programmierung unter LabVIEW 61 Die Pedestals des Detektors KA10 62 Common Modes der beiden Premux128 Chips des Hybrids KA10 63 Das Rauschen der Streifen des Detektors KAIO 64 Grundlinienverschiebun
37. 65 160 20 S640 446494 171 236123 3542 777545 07 044063 Abbildung 5 14 Das Format des Me protokolls SDD 10 41 gt gt 0 gt B A 0 SLO Tp 1514K Tn 1456K Us SY 10 aN t80 MISCO 1109 gt gt 9 ff es B 9 07 SLOD To be Tr 1426K 100W sP 1O aM 160 OSD 11 42 gt gt 18 3 gt gt B 6 07 SUAD Tp 1516F Tn Ok 150 Y F 10 EN 150 DRO 1225 22 of oe B 6 07 SUSI Tp 183 36 Tn ae Pe 10 Y eF a aN Il DEO 1250 gt 5 4m B R DT SLE Tp 15976 Tn 144 a 100 Y eF a aN Il WA 01 17 gt gt We 5d r B B OT SLD Tp 151 4K Ta IS TEN SOY aP A0 sM 160 MIETE Qada se Sb bose B BOT BUSI Tp 1729H Ths IE 150 Y eP a aN 10 Abbildung 5 15 bersicht des Me protokolls 2 Die Messungen sind in dieser Datei kontinuierlich nacheinander aufgezeichnet Das ROOT Programm lognumK c durchsucht die ASCII Dateien nach Messungen mit gleichem Spannungseintrag gleicher Lichtquelle und Magnetfeldl ufen von 0 bis 8T Sie werden zu einem Eintrag zusammengefa t und in einer Datei abgespeichert die als ber sichtsverzeichnis eines Me tages verwendet wird Abbildung 5 15 zeigt das Format dieser bersichtsdatei Angezeigt wird das letzte Datum des Magnetfeldlaufs die Numerierung der Messungen die Reihenfolge der Magnetfeldeinstellungen die verwendete Lichtquelle die Temperaturen auf der n bzw der p Seite die angelegte Spannung am Detektor und die Streifeneinstellungen zur Ladungsschwerpunktsberechnung Die Syntax des Programmaufrufs lau
38. ENTZWINKEL 17 UH THHD 2 24 Bildet man den Quotienten aus Hallfeld Ey und elektrischem Feld E so erh lt man den Hallwinkel E tan O07 uy By rypepBy 2 25 zZ Betrachtet man ein Szenario ohne beschr nkte Geometrie wie zum Beispiel in einem Halbleiterdetektor so kann sich das Hallfeld nicht aufbauen und der Ablenkung durch das Magnetfeld entgegenwirken Es existiert also eine resul tierende Kraft in x und in z Richtung Unter Vernachl ssigung des Sto terms ergeben sich die Bewegungsgleichungen F m e E evs By Fr Ug e E ev By 2 26 Mit der komplexen Variablen Z v iv lautet diese Gleichung p EB i 722 iE 2 27 m m Gleichung 2 27 besitzt eine allgemeine L sung ber alle Sto zeiten gemittelt ergibt sich eT 1 Z u m E iE 2 28 m 1 ip By Als Real und Imagin rteil ergeben sich die Geschwindigkeiten __ HHE 13 ByE os 1 uB tz pHE py ByE 1 p37 B 9 2 29 Wie schon angedeutet kann sich das Hallfeld Ey nicht aufbauen Mit Ez 0 ergibt sich der Lorentzwinkel als Verh ltnis der Geschwindigkeiten Un tan z ug By ryupB tan 0p 2 30 Der Lorentzwinkel 0z ist in erster N herung gleich dem Hallwinkel Orr KAPITEL 2 GRUNDLAGEN ZUM VERST NDNIS EINES 18 HALBLEITERDETEKTORS F r L cher lauten die Bewegungsgleichungen F m eE evzBy Fr m i eEz ev By 2 31 und es folgt e
39. EPII Ende des Jahres 2000 wird seine Betriebszeit voraussichtlich enden Es sind weiterf hrende Experimente bei noch h heren Energien geplant F r den Bau des Large Hadron Colliders LHC werden im LEP Tunnel die bisher verwendeten Magnete durch supraleitende Magnete ersetzt Hier sollen zun chst zwei Protonenstrahlen mit jeweils 7 TeV Energie aufeinan dergeschossen werden sp ter dann Schwerionenstrahlen mit bis zu 1250 TeV Schwerpunktsenergie Die hohe Luminosit t von 10 cm s erlaubt die Suche nach sehr seltenen Ereignissen Sowohl die hohe Schwerpunktsenergie als auch die hohe Luminosit t stellen gro e Anforderungen an die verwendeten Halbleiterdetekoren Durch die starke Strahleneinwirkung werden diese signifikant gesch digt Ihre Kristallstruktur wird zerst rt In der Bandl cke entstehen sogenannte Deep Level Traps welche f r den entstehenden Verlust der Ladungssammlungseffizienz verant 1CERN Centre Europ enne pour la Recherche Nucl aire oft wird der englische Ausdruck verwendet charge collection efficiency CCE 2 KAPITEL 1 EINLEITUNG wortlich sind Die in bisherigen Experimenten verwendeten Detektoren w rden schon weit vor Ende der geplanten Laufzeit kein ausreichendes Signal mehr liefern Deswegen wurden am CERN die Kollaborationen RD39 und RD484 gegr ndet Die RD48 Kollaboration besch ftigt sich mit der Entwicklung strahlungs harter Detektoren unter Verwendung des sogenannten Defect Enginee
40. Einsatz Die Feldlinien der magnetischen Flu dichte B zeigen im Magneten parallel in Richtung des GFK Stabes Die Auslesestreifen einer Seite des Detektors verlaufen rechtwinkelig zur gegen berliegenden Seite Die Teststruktur ist in einem Winkel von 45 so auf dem Hybriden angebracht da die magnetischen Feldlinien ebenfalls eine Winkel von 45 zu den Streifen bilden Mit dieser Anordnung kann der Versatz von Elektronen und L chern im gleichen Detektor gemessen werden ber Glasfasern wird das Licht der Laser und der SLD entlang des GFK Stabes zum Detektor gef hrt Im depletierten Detektor erzeugt das Laserlicht Elektron Loch Paare welche zu den ensprechenden Elektroden driften Die so erzeugten Signale werden mit einem Premux128 Chip ausgelesen vorverst rkt geformt und an die Repeaterkarte weitergeleitet Die Repeaterkarte stellt die Stromversorgung des Premux128 Chip und Steuersignale zur Verf gung und verst rkt nochmals die vom Premux Chip kommenden Signale Diese werden in differentieller Form ber ein Lemo Kabel an eine ADC Karte von LEPSI zur Konvertierung des analogen Signals in eine 10 Bit Digitalzahl gesendet Die notwendigen Steuersignale f r den Premux128 Chip werden ber eine Treiberkarte von LEPSI zur Verf gung gestellt Die Treiberkarte erzeugt auch das Triggersignal welches den Laser bzw SLD Impuls ausl st Die Verz ge rungseinheit Delay wird dazu benutzt den Trigger und damit das Ausl sen des Lasers so zu
41. Gr enordnung a em 4 10 hv E eV 3 5 Die Bandl cke E wiederum ist abh ngig vom interatomaren Abstand der Siliziumatome insbesondere vom quantenmechanischen Wechselwirkungsterm lt V d gt benachbarter sp Orbitale Diese Terme sind negativ da das Potential anziehend wirkt Es gilt E 2 lt gd V gt Ep Es 3 6 wobei und benachbarte sp Wellenfunktionen und E und E Energieei genwerte der s und p Wellenfunktionen in Silizium darstellen Wird also die 3 2 STRAHLENSCH DIGUNGEN 25 Temperatur kleiner wird der zwischenatomare Abstand gr er und damit der Wert des Interaktionsterms der Wellenfunktionen Folglich vergr ert sich die Bandl cke 3 2 Strahlensch digungen In neueren Experimenten ist ein Halbleiterdetektor immens hohen Strah lendosen ausgesetzt Dies f hrt unweigerlich zu einer Sch digung und damit zu einer Verschlechterung seiner Leistungsf higkeit Im Experiment CMS des LHC erwartet man bis zu 10 n cm 1MeV Aquivalentdosis f r die Vertexdetektoren nach 10 Jahren Laufzeit Ein bestrahlter Detektor weist eine Verminderung der Ladungssammlungseffizienz und einen gro en Leckstrom auf Der hohe Leckstrom ist eine Quelle hohen Rauschens Beide Faktoren f hren zu einer Senkung des Signal zu Rausch Verh ltnisses Klassifiziert man die Strahlungssch digungen im Detektor so unterscheidet man zwischen Oberfl chen und Volumendefekten Volumendefekte Der Energi
42. Hilfe ist es m glich dem differentiellen Eingangssignal noch eine durch diesen DAC definierte Spannung zu berlagern Der DAC umfa t einen Bereich zwischen 300 und 300 mV Ein zus tzliches 11 Bit des ADCs dient zur Signalisierung eines berlaufs Er findet statt wenn die anliegende Signalh he den dynamischen Bereich bersteigt und so die gewandelte Signalh he gr er als 1024 w re Das RAM kann bis zu 4096 Kan le speichern Dem entprechen 32 Premux Chips mit 128 Kan len Die Programmierung beider Karten wird in Kapitel 5 beschrieben Weite re Informationen zu beiden Karten findet sich in Mey95a Blockschaltbilder beider Karten sind in Mey95b zu sehen 4 2 5 Der MXI 2 Bus und die Interfacekarten Um die VME Karten zu programmieren und die Datennahme zu steuern mu auf den VME Bus zugegriffen werden Da die eigentliche Steuerungssoft ware auf einem IBM kompatiblen PC mit PCI Bus l uft ist eine Verbindung beider Busse notwendig Hierzu dient der MXI 2 Bus von National Instruments Die Interfacekarten VXI MXI 2 und PCI MXI 2 der gleichen Firma dienen als Schnittstellen der jeweiligen Bussysteme zum MXI 2 Bus Der MXI 2 Bus stellt einen 32 Bit Multimaster Bus dar Er stellt zus tzlich die Trigger Interrupt CLK10 und Utility Bussignale des VXI VME Bussystems zur Verf gung Sein maximaler Durchsatz betr gt 33 MB s Weitere Informationen findet man in MX197 RAM Random Access Memory 16DAC Digital Analog Converter
43. IEKP KA 2000 12 Lorentzwinkelmessungen an bestrahlten Silizium Streifendetektoren im Temperaturbereich T 77 300 K Florian Hauler 18 Juli 2001 aktualisierte Auflage Diplomarbeit vom 5 Juli 2000 Florian Hauler Institut f r Experimentelle Kernphysik IEKP Universit t Karlsruhe Lorentzwinkelmessungen an bestrahlten Silizium Streifendetektoren im Temperaturbereich T 77 300 K Florian Hauler 18 Juli 2001 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis VIII 1 Einleitung 2 Grundlagen zum Verst ndnis eines Halbleiterdetektors 2 1 Halbleiter im B ndermodell 2 2 2 22 nn nenn 3 2 2 Der p n bergang oona Bee 7 2 3 Der Silizium Streifendetektor 2 2 22 a 9 2 4 Der Lorentzwinkel 2 222 on 15 2 5 Abh ngigkeit des Lorentzwinkels von Spannung und Temperatur 18 Wechselwirkung von Strahlung mit Materie 21 3 1 Wechselwirkung der Strahlung mit Materie 21 3 1 1 Wechselwirkung von Teilchen mit Silizium 21 3 1 2 Wechselwirkung von Photonen mit Silizium 22 3 2 Strahlensch digungen 2 2 2 25 3 3 Messungen an den Hera B Teststrukturen 29 Die Messung des Lorentzwinkels 33 4 1 Das Prinzip der Messung 004 33 4 2 Der Versuchsaufbau und seine Komponenten 35 4 2 1 Detektor und Hybrid 37 4 2 2 Der Auslesechip Premux128 und die CMS Repeaterkarte 39 4 2 3 Laser SLD und lichtleitende Faser
44. INCI Hei99 k nnen theoretische Kurven des Lorentzversatzes parametrisiert mit dem Hall streufaktor angegeben werden Aus dem Vergleich zwischen Simulationen und Daten l t sich der Hallstreufaktor bei diversen Temperaturen berechnen Zu letzt werden in vier Tabellen Lorentzwinkel im bestrahlten Detekor KA1 und in unbestrahlten Detektoren angegeben 6 1 Der gemessene Lorentzversatz Abbildung 6 1 zeigt den Versatz der Pulsformen bei 156 K Hier wurde mit Laserlicht der Wellenl nge 650 nm auf die p Seite des Detektors eingestrahlt Wegen der geringen Eindringtiefe von Licht dieser Wellenl nge werden die Elektron Loch Paare nur nahe der Oberfl che des Detektors erzeugt Die Elektronen durchqueren den Detektor und driften zu ihren Auslesestreifen W hrend der Drift erfahren sie durch das magnetische Feld eine Ablenkung Die L cher dagegen befinden sich schon an ihren Auslesestreifen driften nicht und erfahren daher keine Ablenkung Der Puls der p Seite bleibt bei 0 4 und 8T konstant w hrend auf der n Seite der Versatz des Pulses deutlich zu sehen ist Die Signalspitze bewegt sich um etwa 6 Streifen Abbildung 6 2 zeigt die Simulation eines MIPs bei 128K Der 1060 nm Laser wurde auf der p Seite eingestrahlt Die Eindringtiefe ist gr er als Dicke des Detektors Im Detektor werden ber den gesamten Lichtweg Elektron Loch Paare erzeugt Beide Ladungstr gerarten driften durch den Detektor und werden vom magnetischen Feld abgelenkt Jetzt
45. IT MATERIE 10 _ pa a a 2 Q o o N vum wor neutrons D E 95 MeV mb _ fom ua electrons m oO A 5 10 10799 103 107 10 10 104 10 107 10 10 10 10 10 104 particle energy MeV Abbildung 3 3 Non Ionizing Energy Loss NIEL Aufgetragen ist der nicht ionisierende Energieverlust ber der Teilchenenergie Nach Mol99 E 21MeV l t sich der quivalentflu berechnen zu D E a 1 D E 1 MeV 2 8 6 3 9 Mikroskopische Sch digungen im Volumen des Detektors werden in zwei Kategorien unterteilt Punktdefekte und Cluster Punktdefekte sind Verlagerungen einzelner Atome im Gitter Der Energie bert rag auf den Sto partner mu hierbei gr er sein als die Versetzungsgrenzenergie von 25eV Mol99 Punktdefekte sind zum Beispiel Si Zwischengitteratome interstitials die daraus resultierenden Leerstellen vacancies und eine Kom bination von beiden Das Fehlstellen Interstitions Paar der Frenkeldefekt Verunreinigungen mit Sauerstoff und Kohlenstoff die bei der Herstellung des Siliziumkristalls eingebaut werden k nnen mit den Prim rdefekten reagieren Sauerstoff und auch Dotierungsatome wie Bohr und Phosphor gehen mit Leerstellen Verbindungen ein Es entstehen die V 0 V B und auch die V P Defekte Agglomerationen von Punktdefekten bilden die sogenannten Cluster Defekte bilden Energiezust nde innerhalb der Bandl cke Sie k nnen Ladungs tr ger einfange
46. Iba95 Sze81 n Halbleiter p Halbleiter ee E pice aac Gath Yast arm _ Ep Ey Donatorniveau Elektronenenergie E IIIT Ey Ortskoordinate x Ortskoordinate x Abbildung 2 5 Lage der Donator und Akzeptor Niveaus im B ndermodell Das Donatorniveau Ep befindet sich energetisch etwas unter dem Leitungsband Er und das Akzeptorniveau Ey etwas ber dem Valenzband Ey Nach Iba95 2 2 Der p n bergang Kernst ck eines Halbleiterdetektors ist der p n bergang Ein p dotierter Halb leiter grenzt direkt an einen n dotierten Halbleiter Die Differenz der Ladungstr gerkonzentrationen ruft einen Diffusionsstrom in das jeweils anders dotierte Gebiet hervor Die n Seite verarmt an Elektronen und die p Seite an L chern Eine Raumladungszone bildet sich aus Dadurch KAPITEL 2 GRUNDLAGEN ZUM VERST NDNIS EINES 8 HALBLEITERDETEKTORS baut sich eine Potentialdifferenz auf die der Diffusion entgegenwirkt Die Fer miniveaus beider Halbleiter gleichen sich an Es resultiert eine Bandverbiegung Mathematisch l sst sich eine solche Anordnung durch die Schottky N herung beschreiben Es wird angenommen da sich die Raumladungskonzentrationen Np und N4 durch einen Kastenansatz ann hern lassen Man unterscheidet zwischen Majorit tsladungstr gern und Minorit tsladungs tr gern Majorit tsladungstr ger sind diejenigen Ladungstr ger die durch Do tierung erzeugt wurden und werden zu Minor tsladungstr gern nachdem sie den p n
47. Kupferleiters vergr ert sich dadurch und kann deshalb durch den erh hten Kontakt mit der durchstr menden Luft mehr W rme bertragen Die Solltemperatur wird an der Temperatursteuerung eingestellt Sie verf gt ber ein Relais welches den Stromkreis der Heizung ein und ausschaltet ber einen PT100 Widerstand der ber dem Hybrid positioniert ist bestimmt sie die Temperatur der umgebenden Luft Weicht die Temperatur um mehr als 2K von der Solltemperatur ab wird die Heizung ein bzw ausgeschaltet Um die Temperaturen die am Hybriden herrschen genauer zu bestimmen wurden f nf weitere Me widerst nde angebracht Tabelle 4 3 beschreibt ihre Positionen und ihre Bezeichnungen die auch in den Schaubildern verwendet werden heater Temperatur der Heizung PCB p side Temperatur auf der p Seite des Hybriden PCB n side Temperatur auf der n Seite des Hybriden gas outlet Temperatur des ausstr menden Stickstoffs airflow Umgebungstemperatur um den Hybrid 2 Punkt Messung airflow corr Umgebungstemperatur um den Hybrid 4 Punkt Messung Tabelle 4 3 Die Temperaturme widerst nde PT100 Angegeben sind die Bezeichnungen und die Me positionen der PT100 Widerst nde Da die widerstandsbehafteten Zuleitungen der Me widerst nde unwei gerlich eine Verf lschung der Messung verursachen wird der Me widerstand 56 KAPITEL 4 DIE MESSUNG DES LORENTZWINKELS airflow durch eine 2 Punkt und durch eine 4 Punkt Messung ausgelesen Mit d
48. LabVIEW Benutzerhandbuch National Instruments 1998 Artikel nummer 321200B 01 Handbuch der Laser Sammlung der Datenbl tter der Komponenten Landolt B rnstein Gruppe III Band 17a Springer Verlag 1982 S Meyer Kurzanleitung f r Treiberbor und VFLAM Institut f r Experimentelle Kernphysik Universit t Karlsruhe 1995 S Meyer Silizium Streifen Detektoren Enwicklung der Software und Messungen mit einer y Quelle Institut f r Experimentelle Kernphy sik Universit t Karlsruhe 1995 IEKP KA 95 2 M Moll Radiation Damage in Silicon Detectors Deutsche Elektron Synchrotron DESY 1999 DESY THESIS 1999 040 MXIbus Multisystem Extension Interface Bus Specification National Instruments 1997 Part Number 340007B 01 E H Putley The Hall Effect and Semi Conductor Devices Dover Publications Inc 180 Varick Street New York N Y 10014 1986 RD39 Collaboration Charge collection efficiency of irradiated silicon detectors operated at cryogenic temperatures Nucl Instr and Meth in Phys Res 1999 accepted CERN EP 99 102 RD48 Collaboration RD48 Status Report 1999 CERN LEB 99 11 RD39 Collaboration RD39 Status Report 2000 CERN LHCC 2000 010 F R derer Messung von Lorentz Winkeln in Silizium Detektoren Institut fiir Experimentelle Kernphysik Universitat Karlsruhe 1998 IEKP KA 98 24 B Sapoval und C Hermann Semiconductors Springer 1995 ISBN 3 540 94024 3 K Seeger Semiconductor Ph
49. Mitte des Leitungsbandes so gibt es unter Emission von Phononen Energie ab und wandert zur Leitungsbandkante Die mittlere Energie zur Erzeugung eines Elektron Loch Paars in Silizium betr gt E 3 6eV Die Intensit t des Photonenflusses zeigt einen exponentiellen Verlauf Mit dem Photonenflu zu Beginn 9 dem Flu der Photonen x in der Tiefe x und dem Absorptionskoeffizient a f r Licht in Silizium gilt P x Boe 3 3 Aus der Gleichung 1 A A 3 4 l t sich die Eindringtiefe A berechnen Abbildung 3 2 zeigt den Absorp tionskoeffizienten von Silizium Er ist abh ngig von der Wellenl nge und von der Temperatur Nach unten ist das Absorptionsspektrum durch die Absorptionskante begrenzt Die Temperaturabh ngigkeit des Absorptionskoeffizienten l t sich durch den Einflu des interatomaren Abstands der Gitteratome auf die Bandl cke erkl ren Quantenmechanische Berechnungen Sap95 unter Verwendung von Fermis goldener Regel zeigen da der Absorptionskoeffizient von der Differenz zwischen der Energie des einfallenden Lichts und der Breite der Bandl cke 24KAPITEL 3 WECHSELWIRKUNG VON STRAHLUNG MIT MATERIE a M cm A um BE 12 Fr ba BIER me ae ae Ls a Abbildung 3 2 Absorptionskonstante von Silizium Der Absorptionskoeffizient von Licht in Silizium wird dargestellt in Abh ngig keit von der Wellenl nge bei den Temperaturen T 77K und T 300K Nach Das55 abh ngt Es gilt innerhalb einer
50. PITEL 4 DIE MESSUNG DES LORENTZWINKELS n Seite un n dotiert nach Bestrahlung p dotiert Abbildung 4 1 Das Prinzip der Lorentzwinkelmessung Gezeigt wird der Querschnitt eines doppelseitigen Detektors Rote Laser erzeu gen Ladungstr ger nahe der Oberfl che des Detektors Durch den gemessenen Versatz Ax l t sich der Lorentzwinkel berechnen Zur Simulation eines MIP strahlt ein infraroter Laser durch den Detektor hindurch und erzeugt entlang des Strahlweges im ganzen Detektor Ladungstr ger 4 2 DER VERSUCHSAUFBAU UND SEINE KOMPONENTEN 30 4 2 Der Versuchsaufbau und seine Komponenten CMS Repeater Spannungsquelle Delay Oszilloskop N oI ER EN O Og Ba F 8a oD a z d oO To PCI MXI 2 Labview Steuerung S Interface S 7 E 2 o ira sR 2 LEPSI D a a Treiberkarte E E 5 5 S VME MXI 2 20 Interface Ss Jumbo Magneteinsatz Abbildung 4 2 Der Lorentzwinkel Versuchsaufbau Schematischer Aufbau des Lorentzwinkel Setups wie es seit Ende des Jahres 1999 am Institut f r Experimentelle Kernphysik der Universit t Karlsruhe ver wendet wird Seit 1998 wird am Institut fiir Experimentelle Kernphysik der Universitat Karlsruhe der Lorentzwinkel in Siliziumdetektoren gemessen Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden das bisher benutzte Setup modifiziert und weitere Messungen durchgefiihrt Der erste Aufbau wie er in R6d98 beschrieben i
51. ShowChannels e Start DAQ Startet das Programm Barycenter mit dem die Ladungs schwerpunktsberechnung erfolgt 68 KAPITEL 5 DIE AUSLESESOFTWARE Runs Anzahl der Durchl ufe die zur Ladungsschwerpunktsbestimmung im Programm Barycenter ausgewertet werden DAC Verschiebt den dynamischen Bereich des ADCs um bis zu 300 mV Oh entspricht 300 mV 800h entspricht 0 mV und FFFh entspricht 300 mV Skip Clocks Anzahl der Taktzyklen die von der Treiberkarte erzeugt werden bevor das Shi ft_In Signal gegeben wird Der ADC verwirft diese Taktzyklen bei der Konversion Der Standard ist 12 Automatic Timer Mode Aktiviert periodisch nach einer vorgegeben Zeit die Messung Intervals Teilt den angezeigten Bereich der Histogramme in die angege bene Zahl an Intervallen auf Select Chip W hlt den Chip aus f r den die Histogramme angezeigt werden End Program Beendet das Programm E T e Abbildung 5 9 Das Fenster Showchannels Angezeigt werden das Rauschen der Streifen die Pedestals zwei Histogramme zur Darstellung des durchschnittlichen Rauschens und der Common Modes der Chips In dem unteren Graphen werden die Pulsformen dargestellt AUVM LAOSHNAVNNGLVG UHA ONNEIHUHOSHa ES 69 70 KAPITEL 5 DIE AUSLESESOFTWARE 5 3 2 Das Fenster Setup Bevor die Auslese gestartet werden kann m ssen die beiden RAMs der Treiberkarte geladen werden Der verwendete Detektor und die Anzahl der auszulesenden Streife
52. Si Si Si Si Si N li ID I it It I N il Ii Ii Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si oko ouwow wowed how ue N hod a n dotiertes Silizium b p dotiertes Silizum Abbildung 2 4 Die Wirkung eines Donators a und eines Akzeptors b in Silizium Ein Donator hat ein Elektron mehr als f r die Bindung ben tigt wird Ein Akzeptor hat ein Elektron zu wenig Nach Iba95 2 2 DER P N BERGANG 7 An die Stelle des vierwertigen Siliziums kann man beispielsweise f nfwerti ges Phosphor in das Gitter einbauen Man erh lt somit ein schwach gebundenes bersch ssiges Elektron das im B ndermodell etwa Ec Ep 44meV unter der Leitungsbandkante sitzt Dies ist die n Dotierung Verwendet man Bora tome zur Dotierung so erh lt man ein Elektron zu wenig Es kann nicht zur Bindung im Gitter beitragen es ist also ein schwach gebundenes Loch das im Bandmodell etwa EA Ey 46 meV ber der Valenzbandkante sitzt Dies ist die p Dotierung Diese Energieunterschiede k nnen leicht durch thermische Anregung aufgebracht werden um ein Elektron vom Donatorniveau ins Lei tungsband bzw ein Loch vom Akzeptorniveau ins Valenzband zu heben Bei Raumtemperatur kgT 25meV sind fast alle diese St rstellen in Silizium ionisiert Abbildung 2 5 zeigt die Position der Donatoren und Akzeptoren im B ndermodell Theoretische Behandlungen des B ndermodells und weiterf hrende Informatio nen ber Halbleiter und ihre Anwendungen findet man in
53. SiOz Si Grenzschicht in tiefen Grenzfl chenzust nden gefangen werden und sie aufla den Es resultiert eine Bandverbiegung Ein Ma f r diese Bandverbiegung ist die Flachbandspannung Ups Sie mu angelegt werden um die Bandverbiegung aufzuheben Mit steigender Sch digung wird sie gr er Fine weitere Folge von Oberflachenladungen ist ein reduzierter Zwischenstreifenwiderstand 28KAPITEL 3 WECHSELWIRKUNG VON STRAHLUNG MIT MATERIE Strahlensch digungen lassen sich anhand makroskopischer Gr en nachwei sen e Erh hung des Leckstroms Strahlungsinduzierte Energiezust nde in der Bandl cke vereinfachen die thermische Erzeugung von Elektron Loch Paaren Sie erh hen die Leitf higkeit Bei sehr starker Bestrahlung ndert sich die Kennlinie der Diode und hnelt der eines ohmschen Widerstands Die thermische Er zeugung von Elektron Loch Paare ist temperaturabh ngig Mit sinkender Temperatur f llt der Leckstrom stark ab e Dotierungsinversion Wie oben beschrieben verschiebt sich die effektive Dotierung von einem n dotierten Halbleiter in Richtung eines p dotierten Die Sperrichtung des Detektors bleibt dieselbe da sich die Diode von der n p nach Be strahlung p p zur n n nach Bestrahlung n p Grenzschicht verschiebt Erh hung der Depletionsspannung Wie oben beschrieben ndert sich die effektive Dotierung des Detektors Bis zum Punkt der Typinversion sinkt die Depletionsspannung steigt da nach jedo
54. TEN 45 Die Halbleiterlaser werden von der Firma Fermionics Lasertech Inc fer hergestellt Ihre Produktbezeichnung lautet LD 650 bzw LD 1060 Sie besit zen eine maximale Ausgangsleistung von 1 mW Die Leistung l t sich durch den Eingangsstrom regeln Um den Laser jedoch spannungsgesteuert betreiben zu k nnen wird das Modul OPA2662 von Burr Brown eingesetzt Es wandelt eine Eingangsspannung in einen definierten Ausgangsstrom um In Abbildung 4 11 ist die Transkonduktanz des OPA2662 zusammen mit den Ausgangslei stungen der beiden Laserdioden in Abh ngigkeit von ihren Eingangsstr men dargestellt Man erkennt die zugeh rigen Grenzstr me ab denen die Dioden lasern Der 650 nm Laser lasert bei 30 mA das entspricht einer Eingangsspan nung von 1 4 V Die maximale Ausgangsleistung erreicht er bei 44 mA also etwa bei 2 0 V Der 1060 nm Laser f ngt bei 16 mA an zu lasern was einer Eingangsspannung von etwa 0 7 V entspricht Die maximale Ausgangsleistung wird hier bei 28 mA erreicht also etwa bei 1 2 V Eingangsspannung Die Pulse zur Lasersteuerung werden von einem Pulsgenerator HP8082A er zeugt Die Parameter Pulsdauer und Pulsh he wurden so angepa t da bei m glichst kurzer Pulsdauer t 30 200 ns ein gut erkennbares Signal 20 100 ADC Einheiten zu sehen ist Die Spektren der beiden Laser sind in den Ab bildungen 4 12 und 4 13 dargestellt Der 650 nm Laser hat eine mittlere Wel lenl nge von 650 2 nm und ein FWHM von 0 52nm Bei de
55. a 15 dar ber Bei der gleichen Temperatur verdoppelt sich der Versatz der L cher ber 170K gleicht der Versatz der L cher des bestrahlten Detektors dem des unbestrahlten Bei 260K liegt der Wert der Elektronen des bestrahlten etwas unter dem des unbestrahlten Detektors 86 KAPITEL 6 ERGEBNISSE Ax T holes U 100V B 4T Measurement W h not irr h 1e13 p cm 0 4 Ax mm Simulation r 0 7 0 2 DEE EEE oo 100 200 300 Temperature K Abbildung 6 7 Der Lorentzversatz der L cher im bestrahlten und im unbe strahlten Detektor in Abh ngigkeit von der Temperatur Die Linien zeigen Simulationen mit dem Programm DAVINCT Die Simulatio nen wurden f r L cher mit einem Hallstreufaktor von ry 0 7 durchgef hrt 6 4 DER HALLSTREUFAKTOR 87 6 4 Der Hallstreufaktor Die Simulation der Elektronen aus Abbildung 6 6 wurde mit einem Hall streufaktor von Tye 1 15 durchgef hrt Dieser Wert gilt wenn f r den dominierenden Streumechanismus Streuung an Phononen angenommen wird Die Simulationen stimmen bei hohen Temperaturen ber 170K mit den gemessenen Daten berein Bei Temperaturen unter 170K steigt der Lorentzversatz der Elektronen rapide an Dies kann mit einem steigenden Hallstreufaktor erkl rt werden Bei Streuung an ionisierten St rstellen erwartet man einen Hallstreufaktor von ry 1 93 Sze81 Die Simulationen f r L cher mit einem Hallstreufaktor von ry p 0 7 stim
56. ag al Signal p Seite Signal n Seite Mi SoomVvED Mso ops Chit 1 12 Abbildung 4 9 Oszilloskopbild des differentiellen Ausgangssignals Deutlich zu sehen sind die Signale der n und p Seite des Detektors Die Pulsh hen betragen etwa zwischen 250 und 300 mV 4 2 3 Laser SLD und lichtleitende Fasern Zur Ladungserzeugung wurden drei verschiedene Lichtquellen benutzt Zwei Halbleiterlaser mit der Wellenl nge A 1060nm und A 650nm Wellenl nge und eine Superlumineszensdiode mit A 830nm Die Superlumineszensdiode wurde bereits in R6d98 behandelt Der Grund f r die Verwendung un terschiedlicher Wellenl ngen liegt darin da die Eindringtiefe von Licht in Silizium wellenl ngen und temperaturabh ngig ist Das55 Wie in Kapitel 3 1 2 beschrieben erf hrt der Flu von Photonen durch Silizium einen expo nentiellen Abfall P x Poe und der Eindringtiefe A 1 a Bei der Verwendung des 650nm Lasers geht man davon aus da die meisten Elektron Loch Paare nahe der Oberfl che generiert werden und so nur eine Komponente der Ladungstr ger durch das Detektorvolumen driftet Der 1060 nm Laser wird dazu verwendet ein minimal ionisierendes Teilchen zu simulieren Da hier die Eindringtiefe gr er als die Dicke des Detektors ist werden ber die ganze Detektordicke Ladungstr ger erzeugt Je nachdem wo die Ladungstr gergenerierung stattfindet werden sie aufgrund des magneti schen Feldes unterschiedlich weit von ihrem direkten
57. bei der 4 4 DIE TEMPERATURSTEUERUNG 53 mit B 10 T immerhin d 100 mm Da die Messungen bei variabler Temperatur durchgef hrt werden sollen wird ein weiterer kleiner Kryostat in die Bohrung mit d 100 mm eingelassen das Warmrohr In ihm kann nun die Tempera tur von T 4 2 K an aufw rts geregelt werden Wir verwendeten Temperaturen von T 77K bis T 300 K Der verbleibende nutzbare Durchmesser betrug so nur noch d 73 mm Die m glichen Spulenkonfigurationen sind in Abbildung 4 18 zu sehen Bei unseren Messungen werden magnetische Flu dichten bis zu B 9T verwendet Die rtliche Homogenit t des Magnetfeldes l t sich mit Hilfe der Abbildung 4 19 absch tzen Sie zeigt eine Simulation des Spuleninnern bei B 10T in der 10 T Konfiguration ohne Warmrohr Die z Achse zeigt in Richtung der Magnet feldlinien Die Koordinate R gibt den Radius der zylindrischen Bohrung an Das maximale Magnetfeld hat danach eine Abweichung von 7 7 in Az 6cm und AR 8cm um den Mittelpunkt der Spulen AMED OT MACHETEYSTERA FIRE GOAL ee ia A ii wi Bi BE em aw im 10 100 am Erm Abbildung 4 19 Simulation des Spuleninnern bei B 10T Die Konturen zeigen den Abfall des Magnetfeldes vom Zentrum der Spule an 4 4 Die Temperatursteuerung Die in R d98 beschriebenen Lorentzwinkelmessungen konnten nur ein einem Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 6 C durchgef hrt wer 54 KAPITEL 4 DIE MESSUNG DES LORENTZWINKELS
58. ch wieder stark an Signalverbreiterung Aus der Verschlechterung der Zwischenstreifenisolierung folgt eine Ver breiterung des Signals Die Ortsaufl sung wird schlechter e Verringerung der Ladungssammlungseffizienz Durch die Existenz der oben beschriebenen traps sinkt die Signalh he Erzeugte Ladungstr ger werden in diesen Energiezust nden gefangen und tragen nicht mehr zur Signalbildung bei Nach der Bestrahlung ist das Verhalten der Detektoren keineswegs zeitlich konstant Es folgt die Phase des Annealings und daraufhin die Phase des Reverse Annealings In der Phase des Annealings beobachtet man ein Sinken der Depletionsspannung f r typinvertierte Detektoren Neff lt 0 und ein Steigen der Depletionsspannung f r nicht typinvertierte Detektoren Neff gt 0 Dies wird interpretiert als ein Steigen der effektiven Dottierungskonzentration Neff Das Verh ltnis von Akzeptoren zu Donatoren wird kleiner Beim Reverse Annealing zeigt ein Detektor das entgegengesetzte Verhalten Das Verh ltnis von Akzeptoren zu Donatoren wird gr er Die RD39 Kollaboration sucht nach M glichkeiten die schlechten Einfl e der Bestrahlung zu unterdr cken Hierzu werden Halbleiterdetekoren auf kryogene Temperaturen gek hlt und betrieben Durch die verringerte Um gebungstemperatur sinkt der Leckstrom und die Ladungssammlungseffizienz to anneal engl ausheilen 3 3 MESSUNGEN AN DEN HERA B TESTSTRUKTUREN 29 steigt Man beobachtet ein Maximum de
59. chtung des Leckstroms des Detektors festgestellt werden Detektoren ohne Pinholes hatten Leckstr me im nA Bereich Bei einem Detektor mit Pinholes konnten Leckstr me von einigen uA gemessen werden Drei Kan le mit niedrigem Rauschen sind zwischen den Kan len 160 und 190 zu beobachten Sie deuten auf defekte Bonds hin M glich w re auch ein Break ein Bruch des Al Auslesestreifens der die Kapazit t des Streifens verringert 5 2 DIE ROHDATENBEARBEITUNG 65 Durch die Verwendung des Lasers liefert die Common Mode Berechnung fehlerhafte Werte Da sie das Mittel der Signalh he ber alle Kan le eines De tektors berechnet verursacht die Common Mode Korrektur eine Verschiebung der Grundlinie des Detektors Dies wirkt sich nachteilig auf die Ladungsschwer punktsberechnung aus und mu verhindert werden Eine zus tzliche iterative Common Mode Korrektur kann diesen Fehler korri gieren Es werden nur Kan le einbezogen die folgende Bedingung erf llen PH i lt AVNTHRES AVERN c 5 5 128 PH i 2 AVERN c List PHO 5 6 mar wobei AVNTHRES ein variabler Faktor ist und AVERN das durchschnittliche Rauschen der einbezogenen Kan le des ganzen Chips darstellt AVERN wird nach jeder Iteration neu berechnet Am Anfang sind noch alle Kan le des Chips in die Berechnung integriert am Ende nur noch diejenigen welche die oben genannte Bedingung erf llen Diese Bedingung verhindert da Kan le welche einen Lasertreffer detektieren zu
60. das Bonden und erh ht den Pitch von 44 auf 50 um Er ist ist an den Premux Chip gebondet Die Steuersignale und die Spannungsversorgung werden ebenfalls mittels Bondingtechnik vom Hybriden auf den Premux Chip bertragen Zu erkennen sind auch die Bonddr hte die die Depletionsspannung auf den Detektor geben ber den seitlich angebrach ten schwarzen Stecker wird ein PT100 Widerstand auf jeder Seite ausgelesen Mit ihm wird die Temperatur auf jeder Seite bestimmt Eine Aufstellung der Positionen der PT100 Widerst nde am GFK Stab befindet sich in Tabelle 4 3 4 2 2 Der Auslesechip Premux128 und die CMS Repeaterkarte Als Auslesechip f r die Streifendetektoren kam der Premux128 Chip zum Ein satz Abbildung 4 7 zeigt seinen schematischen Aufbau und seine Funktions weise Er besteht aus 128 ladungsempfindlichen Vorverst rkern Preamplifier und Pulsformern Shaper Das Signal des Detektors wird kapazitiv an die Ein gangskan le gekoppelt wo es vorverst rkt und durch einen CR RC Filter ge formt wird Die Shaping Time also die Zeit in der das geformte Signal maximal wird betr gt etwa 45 ns kann aber in einem gewissen Bereich variiert werden pT 100 Platinwiderstand der bei 0 C einen Nennwiderstand von 1002 hat 40 KAPITEL 4 DIE MESSUNG DES LORENTZWINKELS U 0 go T Input current Prearnplltler TE Shaper En Shaping Time 51 u enema Abbildung 4 7 Die Funktionsweise des Premux128 Chips Der
61. de Herleitung steht in Iba95 Einen reinen Halbleiterkristall nennt man intrinsisch Es stehen genauso viele Elektronen wie L cher zum Ladungstransport zur Verf gung Im thermo dynamischen Gleichgewicht gilt n p ni 2 4 mit n der intrinsischen Ladungstr gerkonzentration Die Leitf higkeit eines Halbleiters kann durch Dotierung ver ndert wer den Dazu werden gezielt Verunreinigungen in den Halbleiter eingebracht H her oder niederwertige Atome werden an die Stelle der Silizium Atome im Gitter gebracht Ein einfach h herwertiges Atom besitzt ein Elektron mehr welches nicht zur Kristallbindung beitr gt Es ist nur schwach ge bunden Energetisch befindet es sich etwas unter dem Leitungsband Das Atom wird als Donator bezeichnet Ein einfach niederwertiges Atom besitzt ein Elektron zu wenig Es kann nicht zur Bindung beitragen und bildet ein Defektelektron ein sogenanntes Loch Energetisch befindet es sich etwas ber dem Valenzband Das Atom wird als Akzeptor bezeichnet Abbildung 2 4 zeigt schematisch das verunreinigte Silizium mit den erzeugten Ladungstr gern how ow toll tow to ot ww toa Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si ar Si Si fot tod tot tle tin nA Si Sas ie Si Si Si Si Ssi Si Si Si 2a Il ala I Hon fu Ou tt Si ic si Si Si S SE IN i Il E EN 1 Ir oll Si S Si FSi Si Si Si SL Si i Si Si io N i ty oof tot tle td ot od Si Si Si Si Si Si Si Sj Si
62. den Die Diode depletiert zuerst am p n bergang Die L ngeneinheiten sind in cm angegeben das Potential in V und die elektrische Feldst rke in V cm 2 4 DER LORENTZWINKEL 15 ten h ngen hiervon ab Dies beeinflu t die Ladungsverteilung im Detektor Ein hohes elektrisches Feld f hrt zu einer schnellen Sammlung der Ladungstr ger und einer rtlich lokalisierten Verteilung des Signals Der Leckstrom Der Leckstrom des Detektors ist eine Hauptquelle des Rauschens im Auslese system Er stammt von thermisch generierten Elektron Loch Paaren bei An wesenheit eines elektrischen Feldes Er ist proportional zur depletierten Dicke eines Detektors Deswegen gilt Iteck D Vaep 2 20 Nach Erreichen der vollst ndigen Depletion sollte der Leckstrom konstant sein Ursache f r einen erh hten Leckstrom sind St rungen in der Kristallstruk tur die durch Verunreinigungen oder Strahlensch digung hervorgerufen werden k nnen Im B ndermodell zeigt sich dies durch zus tzliche besetzbare Zust nde in der Bandl cke Die Kopplungskapazit t Die Kopplungskapazit t ist die Kapazit t zwischen den Implantaten und den Auslesestreifen Fehler in der SiO Isolation k nnen eine ohmsche Verbindung zwischen Implantat und Al Auslesestreifen verursachen Ein sogenanntes Pin hole entsteht Die Streifenkapazit t Diese Kapazit t beinhaltet sowohl die Streifen Streifen Kapazit ten als auch die Streifen R ckseiten Kapazit ten eines Ausle
63. enen Temperatur vergleichen und gegebenenfalls korrigieren Beide Seiten weisen unterschiedliche Temperaturen auf Da sich die Platinenhalterung an der Unterseite des Detektors befindet wird der Temperaturaustausch mit gasf rmigem Stickstoff abgeschirmt so da beide Seiten unterschiedliche Temperaturen aufweisen 5 4 DIE DATENAUSWERTUNG 77 500 400 300 200 100 12 02 00 12 32 log 19 27 HERA B KA1 U 100V T 180K 1010 2 cm 660 nm Laser on p side 2 linear fit y ndf 2 171 7 slope 72 5197 A 2 5820 n A x 4T 290 1 A 10 3 um linear fit x ndf 4 539 7 slope 5 2235 A 2 5820 p A x 4T 20 9 A 10 3 um Temperatur log Abbildung 5 16 Der lineare Fit und die Temperaturaufzeichnung Angegeben werden der verwendete Laser die Seite auf der das Laserlicht ein gestrahlt wird die Depletionsspannung der Bestrahlungsflu die G te des Fits und der Lorentzversatz beider Seiten bei 4 T Der eingezeichnete Fehler stammt aus Messungen der Ortsaufl sung als Funktion des Faserabstand von der De tektoroberfl che Hei99 78 KAPITEL 5 DIE AUSLESESOFTWARE Kapitel 6 Ergebnisse In diesem Kapitel werden die Pulsformen des bestrahlten Detektors KAl in Abh ngigkeit des magnetischen Feldes bei verschiedenen Temperaturen und Lichtquellen gezeigt Es folgen die Temperatur und Spannungsabh ngigkeiten des Lorentzversatzes Aus Simulationen mit dem Programm DAV
64. ensch digungen mittels Strom Spannungs und Kapazit ts Spannungs Messungen untersucht Der Lorentzwinkel wurde bis jetzt nur im Detektor mit der Strahlendosis von 1 10 p cm 21 MeV gemessen Dies entspricht einer quivalentdosis von 2 8 10 n cm bei der Bestrahlung mit 1MeV Neutronen Bei 77K erh hte sich der Lorentzwinkel der Elektronen um 15 bei der vollst ndigen Depletionsspannung dieses Detektors von 100V Bei 260K lag er deutlich unter dem Wert der unbestrahlten Detektoren Die Lorentzwinkel der L cher im bestrahlten Detektor zeigten bis zu einer Temperatur von 100K keine signifikanten Abweichungen zu den gemessenen Werten im unbestrahlten Detektor Da im LHC Experiment CMS die p Seiten 93 94 KAPITEL 7 ZUSAMMENFASSUNG der Detektoren ausgelesen werden ist bis zu einem Flu von 2 8 1013 n cm keine Signalverbreiterung aufgrund eines erh hten Lorentzwinkels der L cher zu erwarten Literaturverzeichnis Bla85 Bru97 Das55 fer Gaj92 Gra98 Har00 Hei99 Hor99 Iba95 Jon95 Jun00 J Blakemore Solid State Physics Cambridge University Press 1985 2 Aufl R Brun und F Rademakers ROOT An Object Oriented Da ta Analysis Framework NIM A389 81 86 1997 see also http root cern ch W C Dash und R Newman Intrinsic Optical Absorption in Single Crystal Germanium and Silicon at 77 K and 800 K Physical Review 99 1955 p 1154 see http www fermionics com
65. er Differenz beider Messungen l t sich der Fehler berechnen und die Ergebnisse korrigieren Die PT 100 Widerst nde werden mit einem KEITHLEY 2000 mit inte grierter Scannerkarte gemessen und ber GPIB mit der Auslesesoftware gespeichert Abbildung 4 21 zeigt den Temperaturlog eines Me tages Auf getragen sind die Temperaturen der p der n Seite und der Umgebungsluft ber den Me zeiten Ersichtlich ist da die Temperaturwerte der 2 Punkt Messungen etwa 8K ber denen der 4 Punkt Messungen liegen Die Temperaturen k nnen relativ schnell eingestellt werden So waren zur genauen Einstellung der Temperaturen von etwa 113 K auf 93 K nur 17 Minuten notwendig Die Instabilit t um etwa 14 Uhr kam zustande da im W rmetauscher fl ssiger Stickstoff kondensiert war und das Rohr verschlo Die K hlung setzte somit aus Das Problem konnte mit der kurzfristigen Entnahme des W rmetauschers aus dem LNa Bad gel st werden Hierbei mu sehr sorgf ltig und vorsichtig vorgegangen werden da das Volumen von Stickstoff beim bergang von fl ssiger in gasf rmige Phase instantan zunimmt Bei Beginn des Siedens entweicht das Gas unter sehr hohem Druck aus dem W rmetauscher Man mu ihn deswegen von den Zuleitungsschl uchen des Warmrohrs trennen um eine Besch digung des Hybriden zu vermeiden Aus Abbildung 4 22 kann man die Temperaturdifferenz zwischen n und p Seite ablesen Bei diesen Messungen lag die Temperatur der n Seite etwa 6K tiefer als
66. er Diffusionsspannung eine Spannung in Sperrichung der Di ode so erh lt man die Depletionsspannung e Vien 2 5 Now 2 15 KAPITEL 2 GRUNDLAGEN ZUM VERST NDNIS EINES HALBLEITERDETEKTORS 10 COVAQAQ 000000 DO CCOQO a 0 8 OD D 0 z 000000 ce 000000 000000 000000 000000 ee888 000000 000000 GQ eQQO 6BOOD6 2 O66 P N dod aQqp AAAA sedda d gt X Dotierungskonzentration Raumladungsdichte Na L D N qN Cc qN Elektrisches Feld Elektrisches Potential Abbildung 2 6 Der p n bergang Das Schema einer asymmetrischen Diode a Ihre Dotierungskonzentrationen ihr elektrisches Feld d und ihre elektrisches c b ihre Raumladungsdichte Potential e werden dargestellt 2 3 DER SILIZIUM STREIFENDETEKTOR Al Auslese Streifen a SiO Isolation 11 Tem HV o OZ Diode o e p Streife n dot Si o e o m R Ove i Al Abbildung 2 7 Schema eines einseitigen Silizium Streifendetektors Der Detektor besteht aus einem n dotierten Halbleiter an dessen Oberseite p Implantate eingebracht sind Auf der Unterseite befindet sich eine n Schicht Die Auslesestreifen sind durch den Isolator SiO2 kapazitiv an die Implanta te gekoppelt Ein eindringendes Teilchen erzeugt Elektron Loch Paare welche aufgrund ei
67. er makroskopischer Gr en der Strom Spannungs und der Kapazit t Spannungs Kennlinie aufgezeigt 3 1 Wechselwirkung der Strahlung mit Materie 3 1 1 Wechselwirkung von Teilchen mit Silizium Geladene Teilchen verlieren aufgrund der elektromagnetischen Wechselwir kung beim Durchqueren von Materie Energie Gebundene Elektronen im Festk rper k nnen in h her energetische Zust nde angeregt oder ionisiert wer den Den Energieverlust f r schwere geladene Teilchen beschreibt die Bethe Bloch Gleichung 2 4 dE Zze Nam 22 3 1 de 8ne2meEginMa Im wobei Z die Ordnungszahl des Zielatoms z die Ladungszahl des Teilchens NA die Avogadro Konstante m und Erin die Masse und die kinetische Energie des Teilchens 9 die elektrische Feldkonstante m die Elektron Ruhemasse MA die Molmasse des Zielmaterials und 7 die mittlere Ionisationsenergie ist F r Elektronen liefert folgende relativistische Gleichung eine gute Beschreibung dE ZeiNa mev Ekin n 3 2 7 H S O 3 2 mit v der Geschwindigkeit der Elektronen 6 v c und f einem relativisti schen Korrekturfaktor Eine Angabe der Reichweite ist f r Elektronen nicht m glich da sie Vielfachstreuungen mit gro en Winkeln unterliegen Sto94 de 8me m v MA 21 22KAPITEL 3 WECHSELWIRKUNG VON STRAHLUNG MIT MATERIE 10 dE
68. everlust geladener Teilchen erfolgt zum einen Teil ber Ionisation zum anderen Teil ber die Bildung von Defekten im Kristall Neutronen wech selwirken nicht ber die Rutherfordstreuung weil sie ungeladen sind Da sie durch elastische Streuung an Atomkernen einen betr chtlichen Energie ber trag leisten tragen sie dennoch signifikant zur Stahlensch digung bei Da der Vorgang der Ionisation im Halbleiter ein reversibler Vorgang ist tr gt nur die Bildung von Defekten zur Sch digung des Detektors bei Ein Ma hierf r ist der Non Ionizing Energy Loss NIEL Der NIEL Hypothese liegt die Annahme zugrunde da die Sch digung linear mit dem nicht ionisierenden Energieverlust verl uft Um die Sch digung verschiedener Teilchenarten bei unterschiedlichen Ener gien und Fl ssen vergleichen zu k nnen f hrt man den H rtefaktor ein Er normiert die Sch digung eines Flusses von Teilchen mit dem teilchenabh ngi gen Sch digungswirkungsquerschnitt D E auf die Sch digung von Neutronen der Energie 1MeV des gleichen Flusses Der Sch digungswirkungsquerschnitt von Neutronen bei 1 MeV Energie ist D E 1 MeV 95 MeVmb u D E E dE 3 7 D E 1MeV O E dE Der Aquivalentflu8 Peg l t sich dann wie folgt berechnen Paq K ede 3 8 Der normierte Sch digungswirkungsquerschnitt D E D E 1 MeV ist in Abbildung 3 3 aufgetragen Fiir monoenergetische Protonen der Energie 26KAPITEL 3 WECHSELWIRKUNG VON STRAHLUNG M
69. g durch gro es Signal 65 Rohdaten und Extraktion des Signals 66 Das Fenster Showchannels 2 2 22 none 69 Das Fenster Setup 22 22 C Eon 70 Das Fenster Load RAM 2 2 2 2 CE nennen 71 Das Fenster Barycenter o oo 72 bersichtstafel der Datennahmesoftware 74 Das Format des MeBprotokolls 22 2 22 22m nennen 75 bersicht des Me protokolls 2 22 2m mn 75 Der lineare Fit und die Temperaturaufzeichnung 77 Der Versatz der Pulsformen des 650 nm Lasers bei T 156K 80 VII 6 2 6 3 6 4 6 5 6 6 6 7 6 8 6 9 Abbildungen Der Versatz der Pulsformen des 1060 nm Lasers bei T 125K 81 Der Versatz der Pulsformen des 1060 nm Lasers bei T 255K 82 Der Lorentzversatz der Elektronen in Abh ngigkeit von der SPANNUNG 2 p wesen ka aa Sag ac a a ee RA i ace 83 Der Lorentzversatz der L cher in Abh ngigkeit von der Spannung 84 Der Lorentzversatz der Elektronen in Abh ngigkeit von der Tem DEFALUT u 1 edo se ern aaoi ee phe He le da hrs p a BE 85 Der Lorentzversatz der L cher in Abh ngigkeit von der Temperatur 86 Literaturwerte des Hallstreufaktors 88 Die gemessenen Werte des Hallstreufaktors ry 89 Struktogramm der Pedestalnahme 2 222222 101 Struktogramm der Rohdatenbearbeitung nach der Datennahme 102 Abbildungen VIII Tabellenverzeichnis 3 1 3 2 4 1 4 2 4 3 6 1 6 2 6 3 6 4 6 5
70. h durch die folgenden Me gr en charakterisieren Die Depletionsspannung Die Depletionsspannung dient dazu den Detektor sensitiv f r die Detektierung von Teilchen zu machen Freie Ladungstr ger werden aus dem Detektor entfernt und ein elektrisches Feld baut sich auf Die Driftzeiten und Driftgeschwindigkei KAPITEL 2 GRUNDLAGEN ZUM VERST NDNIS EINES 14 HALBLEITERDETEKTORS Potential Feldstaerke Betrag 10 1 20 00 4 F 720 00 F 20 00 F 560 00 E 60 00 r 400 00 H 100 00 r 240 00 4 r 140 00 150V 1150V 0 04 0 12 0 20 0 28 0 36 10 7 0 04 0 12 0 20 0 28 0 36 10 4 Potential Feldstaerke Betrag Potential Feldstaerke Betrag 10 1 0 00 M 320 00 4 Ih 10 00 F 240 00 4 iF 20 00 r 160 00 4 r 30 00 P 80 00 4 m 40 00 is 0 00 40 V F T T T T T ij 0 04 0 12 0 20 0 28 0 36 10 7 0 04 0 12 0 20 0 28 0 36 10 Potential Feldstaerke Betrag Potential Feldstaerke Betrag 10 1 8 00 4 Fr 180 00 4 r 0 00 H 140 00 4 E 8 00 H 100 00 4 r 16 00 H 60 00 u r 2400 20V 2o 120 V L T T T 0 04 0 12 0 20 0 28 0 36 10 a 0 04 0 12 a Potential piers Feldstaerke Betrag 0 20 0 28 0 36 10 Abbildung 2 9 Elektrisches Feld und Potential bei Unter und berdepletion Bei Unterdepletion ergibt sich ein Bereich in der Diode in der die elektrische Feldst rke verschwindet Hier k nnen keine Teilchen nachgewiesen wer
71. he Spannung zur Verf gung zu stellen Biaswiderst nde Sie bestehen aus polykristallinem Silizium und haben typischerweise Wi derst nde im M Q Bereich Guardring Der Guardring umrundet die ganze aktive Fl che des Detektors Er dient dazu das Feld am Rande des Detektors zu formen um Randeffekte zu minimieren Au erdem verhindert er hohe Leckstr me an den Kanten des Detektors N Seiten Isolation Befinden sich die Auslesestreifen auf der n Seite ist es notwendig die n Implantate voneinander zu isolieren Eine Elektronenakkumulationsschicht am Si SiOo Ubergang kann die Streifen gegeneinander kurzschlie en Das Signal verbreitert sich ber mehrere Streifen und verursacht somit einen Verlust der Aufl sung Indem die n Streifen mit einer weiteren p Schicht umgeben werden wird die Elektronenakkumulationsschicht unterbrochen und die Isola tion der Streifen zueinander ist wieder hergestellt 2 3 D Potential 0 24 Abbild ER SILIZIUM STREIFENDETEKTOR Feldstaerke Betrag N N A SR N o F 0 00 nn _s SU Ss SS Ss SRS S o o ooo a u Su NN NS os DD o o NNN N u Ss 10 00 WN iy Ip N ns hy gt rn N ONG a nn Ss Ds gt o u 7 gt TUN N N 5 SU KON i g iy m O nn Ss F gt Ss Ss Sn ss AN N iy Ly m _ I gt gt oo nn nn 20 00 u _ amp IM u i 5 Ag yy NR KENN nn Mn DI IS ER hy W N N os N i _ N DR N We d m N Muh a
72. ionskan le k nnen genutzt werden um eine bekannte Ladung in die Vorverst rker einzubringen den Chip zu testen und die ganze Ausleseelek tronik zu eichen In Tabelle 4 1 sind die wichtigsten digitalen Steuersignale zusammengefa t Die Steuersignale f r den Premux Chip werden von der Treiberkarte zur Verf gung gestellt Sie sind in den Abbildungen 4 15 und 4 16 dargestellt Das Shift_Out Signal bietet die M glichkeit mehrere Chips in Serie zu schalten und so einen Detektor mit mehr als 128 Streifen auszulesen indem der Token an den n chsten Chip weitergereicht wird Es existieren noch weitere Eing nge die die eingebauten Vorverst rker und Pulsformer regeln F r weitere Informationen sei auf Jon95 verwiesen S1 Schalter zum Aktivieren des Baseline Samplings S2 Schalter zum Aktivieren des Peak Samplings 1 Taktsignal 1 2 Taktsignal 2 Shift_In Eingangssignal des Tokens in das Schieberegister Shift_Out Ausgangssignal des Tokens aus dem Schieberegister CAL 0 3 Kalibrationseing nge Tabelle 4 1 Eingangssignale des Premux128 Chips Die Abk rzungen der wichtigsten Eingangssignale und ihre Aufgaben Ein Videoverst rker auf der CMS Repeaterkarte verst rkt die vom Premux128 Chip kommenden Analogsignale Das Ausgangssignal ist in Abbil dung 4 9 zu sehen Die Repeaterkarte stellt die Versorgungsspannungen f r den Hybriden zur Verf gung 4 2 DER VERSUCHSAUFBAU UND SEINE KOMPONENTEN 43 Tek Run 1 005 8
73. ive Dotierungsdichte Nerf und Resistivt t p l eyNerp der Teststrukturen Verwendete Werte es 11 8 u 300K 1500 und D 280 um 32KAPITEL 3 WECHSELWIRKUNG VON STRAHLUNG MIT MATERIE Aus Tabelle 3 2 gehen Depletionsspannungen bis zu 350 V hervor Da die kapazitiv gekoppelten Aluminiumstreifen des Detektors durch den Premux128 Auslesechip auf Masse liegen mu sichergestellt werden da das SiOa der Spannung zwischen den auf Depletionspotential gelegten Implantaten und den auf Masse gelegten Aluminiumstreifen standh lt Zwischen dem Kontaktpunkt des Aluminiumstreifens AC Pad und dem Kontaktpunkt des Implantats DC Pad wurde eine Spannung angelegt und der resultierende Strom gemes sen Abbildung 3 8 zeigt den Stromverlauf als Funktion der Spannung Die Messungen wurden an dem unbestrahlten Detektor KAVI durchgef hrt KA 2 00E 06 p Seite Streifen 100 n Seite Streifen 50 1 50E 06 1 00E 06 5 00E 07 0 00E 00 218 um Abbildung 3 8 Durchbruchspannung der Kopplungskapazit ten Zwischen Al Auslesestreifen und Implantat wurde Spannung angelegt und der Durchbruch gemessen Die Messung wurde sowohl auf der n als auch auf der p Seite des Detektors durchgef hrt Man erkennt einen Durchbruch des Streifens 100 auf der p Seite bei 205 V und einen Durchbruch des Streifens 50 auf der n Seite bei 193 V Bedenkenlos kann nur der Detektor KAI verwendet werden Bei den
74. ke ein voll besetztes Valenzband und ein vollkommen leeres Leitungsband Die Bandl cke ist hier allerdings zu gro mehrere 10 eV als da durch thermische Anregung eine Besetzung des Leitungsbandes mit Elektronen m glich w re Eine schematische Darstellung der Bandkonfigurationen ist in Abbildung 2 3 ersichtlich Metall Halbleiter Isolator Leitungsband Ww v D G a eee ee es Mi EHER Cc Cc 5 ur 2 X Valenzband W WEZTIIILEITEID Rumpfelektronen Abbildung 2 3 Metall Halbleiter und Isolator im B ndermodell Er und Ey bezeichnen die Leitungsband bzw die Valenzbandkanten Ey stellt die Bandl cke dar und Er ist das Ferminiveau Nach Iba95 Die elektrische Leitf higkeit ist definiert als o lellnyn piip 2 1 wobei e die Elementarladung n und p die entsprechenden Volumenkonzentra tionen der Ladungstr ger sind und un und up die Beweglichkeiten Die Volu menkonzentrationen sind definiert als pz i D1 EB f E T dE 2 2 p f D A StB TyaE 2 3 KAPITEL 2 GRUNDLAGEN ZUM VERST NDNIS EINES 6 HALBLEITERDETEKTORS Hier stellen Ey und Ey die Leitungsband bzw die Valenzbandkanten dar Dz und Dy die entsprechenden Zustandsdichten f E T ist die Fermiverteilung Sie regelt die Besetzung der verf gbaren Energiezust nde bei der Temperatur T Integriert wird von den Bandkanten ber das gesamte Band N herungs weise l t sich die Integration bis ins Unendliche f hren Eine genauere und weiterf hren
75. l I MN a DD Ly 40 00 a ue Ly LE Vi Dh iy N m H LOE CEN Vy Wu nn N Wee yy LY Ly 1 Wy si L u Wy i yy li i N N _ U I N a m m q o Ly 0 24 ung 2 8 Elektrisches Feld und Potential in einer Siliziumdiode 13 Eine Tesca Simulation berechnet das Potential und das elektrische Feld bei vol ler Depletionsspannung in einer n dotierten Halbleiterdiode Die vollst ndige Depletionsspannung betr gt Vja 40 V Die L ngeneinheiten sind in cm an gegeben das Potential in V und die elektrische Feldst rke in V cm AC und DC Kopplung Bisher wurden Detektoren mit kapazitiver Auslesekopplung beschrieben Neben dieser AC Kopplung gibt es auch Detektoren mit leitender Verbindung zwischen den Aluminiumstreifen und den Implantaten Diese Kopplung wird DC Kopplung genannt Sie werden seltener verwendet da hohe Leckstr me des Detektors direkt in den Auslesechip flie en k nnen und so den ladungs empfindlichen Verst rker in S ttigung bringen Das Ersatzschaltbild eines DC gekoppelten Detektors erh lt man indem die Kapazit t in Abbildung 2 7 durch eine leitende Verbindung ersetzt wird Eine M glichkeit einen DC gekoppelten Detektor zu verwenden und den Einflu erh hter Leckstr me gering zu halten ist die Verwendung von Auslesechips mit integrierten Kopp lungskondensatoren an den Vorverst rkereing ngen Charakteristische Me gr en Die Qualit t und die Eigenschaften eines Detektors lassen sic
76. ll 5 Die Wirkung eines Donators und eines Akzeptors in Silizium Lage der Donator und Akzeptor Niveaus im B ndermodell 7 Der p n bergang nahn hie de ee sic 10 Schema eines einseitigen Silizium Streifendetektors 11 Elektrisches Feld und Potential in einer Siliziumdiode 13 Elektrisches Feld und Potential bei Unter und berdepletion 14 Wahl des Koordinatensystems f r die Erkl rung des Halleffektes 16 Abh ngigkeit der Driftgeschwindigkeit vom elektrischen Feld 19 Die Driftmobilit t bei verschiedenen Temperaturen 20 Der Hallfaktor in Abh ngigkeit von der Temperatur 20 Energieverlust von Elektronen in Silizium 22 Absorption von Licht in Silizium 2 2 2 2 222m 24 Non Ionizing Energy Loss NIEL 26 Effektive Dotierungsdichte der Teststrukturen 27 Leckstrom des unbestrahlten Detektors KAVI 30 Leckstr me der bestrahlten und unbestrahlten Detektoren 30 CV Kurven der Hera B Teststrukturen 31 Durchbruchspannung der Kopplungskapazit ten 32 Das Prinzip der Lorentzwinkelmessung 34 Der Lorentzwinkel Versuchsaufbau 2 22222222 35 Bild der n Seite der Hera B Teststruktur 37 Bild der p Seite der Hera B Teststruktur 37 Layout der n Seite des Hybriden 0 38 y VI 4 6 4 7 4 8 4 9 4 10 4 11 4 12 4 13 4 14 4 15 4 16 4 17 4 18
77. llt werden Diese defekten Kan le k nnen markiert und von der Bearbeitung ausgeschlossen werden Hierzu sind im Quellcode des Programms die funktionierenden und schlechten Streifen eines Detektors definiert Der richtige Detektor mu deswegen im Unterfenster Setup ausgew hlt werden Bevor ein Detektor ausgelesen wird m ssen einige Parameter f r die Auslese eingestellt werden Der Knopf Setup startet das Unterprogramm zur Konfi guration der Software Es wird im Unterkapitel 5 3 2 erkl rt Nachdem die Parameter eingestellt wurden kann ein Detektor ausgelesen werden Beliebig viele Testl ufe startet man mit dem Knopf ShowChannels mit dem Knopf Stop bricht man sie ab Die Messungen werden mit dem Knopf Start DAQ gestartet Eine Messung besteht aus einer definierbaren Anzahl von Datennahmezyklen aus denen das Ergebnis gemittelt wird Die Funktionen im Einzelnen e Setup ffnet das Fenster zur Konfiguration e Pedestal Runs Anzahl der Auslesephasen des Detektors zur Pedestalbe rechnung e Calculate Pedestals Liest den Detektor mehrmals aus und berechnet aus den Durchschnittswerten jedes Kanals die Pedestals e Save to Disk Aktiviert das Logging der Pedestalnahme e Save File Eingabe des Dateinamens f r die Logdateien Die Dateinamen werden automatisch mit jeder Messung durchnumeriert e ShowChannels Liest den Detektor kontinuierlich aus Geeignet um den Hybriden zu testen e Stop Stoppt die kontinuierliche Auslese mit
78. m 1060 nm Laser betr gt die mittlere Wellenl nge 1066 2nm und das FWHM 0 56 nm Das Laserlicht wird mit Singlemode Fasern zum Detektor gef hrt wo sie mit einer Faserhalterung aus GFK eingespannt sind Da jede Faser nur eine Wellenl nge optimal bertragen kann sind hier mindestens 3 Fasern notwendig Die 1060 nm Faser zeigt auf die p Seite die SLD Faser auf die n Seite Die 650nm Faser wird auf beiden Seiten verwendet Somit kamen insgesamt 4 Fasern zum Einsatz Die Faserhalterung sollte so eingestellt werden da das Licht der Fasern m glichst genau am gleichen Punkt jeder Seite auftrifft um die Beobachtung der Verschiebung im Magnetfeld zu vereinfachen Somit mu in der Auslesesoftware nur ein Bereich der Streifen zur Berechnung des Ladungsschwerpunktes angegeben werden Dadurch ist es auch einfacher defekte Streifen bei der Positionierung zu vermeiden Die Fasern deren Licht in oberfl chennahen Bereichen des Siliziums absorbiert wird SLD 650nm Laser k nnen in einem Winkel 20 eingespannt werden Die Faser des 1060nm Lasers mu senkrecht auf die Oberfl che zeigen um ein m glichst sauberes rtlich begrenztes Signal zu erhalten Die Faserpositionierung auf dem Hybrid zeigt das Foto in Abbildung 4 14 Die Fasern wurden von der Firma Sch fter und Kirchhoff bezogen Es handelt sich hierbei um Singlemodefasern mit einer Cut off Wellenl nge von 620 nm und einem Modenfeld von 4 3 um bzw einer Cut off Wellenl nge von 970 nm und
79. men mit den Messungen berein Aus den Simulationen und den gemessenen Daten l t sich der Hallstreufaktor der Elektronen berechnen p ae 6 1 AT Davinci Der Faktor 1 15 wird ben tigt weil die Simulationen mit einem Hallstreufaktor von ry 1 15 berechnet wurden TIK Axgatalum Axpavinci um Gr tfehler 77 J Tabelle 6 1 Hallstreufaktor bei verschiedenen Temperaturen U 100 V B 4T Abbildung 6 8 zeigt die Literaturwerte des Hallstreufaktors f r verschiedene Dotierungskonzentrationen bei n dotiertem Silizium Tabelle 6 1 und Abbildung 6 9 zeigen den Hallstreufaktor wie er aus dem Vergleich zwischen den Simula tionen und den Messungen bestimmt wurde Der charakteristische Anstieg des Hallstreufaktors bei tiefen Temperaturen ist bei beiden Abbildungen zu sehen Auch bildet sich ein Minimum wie die Theoriekurven f r niederdotiertes Material zeigen Allerdings stimmt der Kurvenverlauf der bestimmten Werte mit einer Dotierungskonzentration von Np 6 66 10 cm quantitativ nicht mit dem Kurvenverlauf in der Litera tur berein Der Grund f r diese Diskrepanz ist noch nicht gekl rt 88 KAPITEL 6 ERGEBNISSE 120 115 110 090 Abbildung 6 8 Literaturwerte des Hallstreufaktors Der Hallstreufaktor f r n dotiertes Silizium in Abh ngigkeit von der Temperatur Experimentelle Werte Dreiecke Np 1 10 cm offene Kreise Np 1 5 10 cm volle Kreise Np 4 6 10
80. mkammer mit T 4 2K in der sich die Spulen befinden GE 7 Gh I IS N en 10 T 100 mm 12T 70 mm Se Y S N p p N N er 5 7 EL Wh Wl 15 T 44 mm 10 T 73 mm Abbildung 4 18 Die Jumbo Konfigurationen Bei unseren Messungen wird die Konfiguration rechts unten verwendet In die 100 mm Bohrung wird das Warmrohr ein rohrf rmiges vakuumisoliertes Gef eingelassen welches einen gro en Bereich an Temperatureinstellungen m glich macht Die dunklen Fl chen stellen die Spulen dar Nach Hor99 Der Magnet kann in verschiedenen Spulenkonfigurationen betrieben werden Er besteht aus drei in Reihe geschalteten Spulen von denen sich die inner ste Spule herausnehmen l t Abh ngig von der Konfiguration sind im Innern der Spulen magnetische Flu dichten bis zu B 15T m glich Mit Hilfe des GFK Stabes wird der Hybrid genau ins Innere der Spulen gebracht um ei ne maximale Homogenit t des Magnetfeldes zu erreichen Der zur Verf gung stehende Raum ist abh ngig von den eingesetzten Spulen In maximaler Spu lenausstattung B 15T stehen nur d 44mm Durchmesser der Bohrung zur Verf gung Bei der Konfiguration mit B 12T sind es d 70 mm und
81. mpletion eingeschaltet werden lab98 Eine bersicht ber den Programmablauf und die Funktionalit t der Fenster der Software gibt Abbildung 5 13 5 4 Die Datenauswertung Da die gemessenen Daten sehr umfangreich sind ist es notwendig eine rech nerunterst tzte Auswertung zu verwenden Hier leistet das Programm ROOT Bru97 gute Dienste ROOT ist eine Sammlung von C Klassen und bein haltet einen Interpreter Ein integriertes Grafikpaket macht die Darstellung der gemessenen Daten einfach Die Auswertung erfolgt in drei Schritten 1 Nach den Messungen liegen die Daten in einem nicht lesbaren bin ren For mat einer Logdatei von LabVIEW vor Mit dem VI Extract bary lassen sich aus den bin ren Daten lesbare ASCII Text Dateien erzeugen Ab bildung 5 14 zeigt die Daten wie sie nach dieser Umwandlung vorliegen Die erste Zeile gibt Datum und Uhrzeit einer Messung an Die zweite Zei le beinhaltet eine laufende Numerierung das Magnetfeld die anliegende Spannung am Detektor den Leckstrom des Detektors die Verz gerung und eine Nummer zur Kennzeichnung der Lichtquelle Die n chste Zeile zeigt die Temperaturen am Hybriden an Zeile 4 und 5 gibt Informationen zu den Me ergebnissen der p und n Seite Angegeben ist der Startstrei fen der Ladungsschwerpunktsberechnung strip p n die Gesamtzahl der eingeschlossenen Streifen N p n die Pulsh hen ph n p die Ladungs schwerpunkte x ph n p die H he des Signal zu Rausch Verh ltnisses
82. n 43 4 2 4 Treiberkarte und Flash ADC 47 4 2 5 Der MXI 2 Bus und die Interfacekarten 50 II IV INHALTSVERZEICHNIS 4 3 Der supraleitende Magnet Jumbo 51 4 4 Die Temperatursteuerung 2 0020004 53 5 Die Auslesesoftware 59 5 1 Die Softwareentwicklung 2 222 22 nn nn 59 5 2 Die Rohdatenbearbeitung 22 2 22 n nennen 62 5 3 Beschreibung der Datennahmesoftware 66 5 3 1 Das Fenster ShowChannels 67 5 3 2 Das Fenster Setup 2 2 22 2 nn 70 5 3 3 Das Fenster Barycenter 2 2 222 22 72 5 4 Die Datenauswertung o saou a 73 6 Ergebnisse 79 6 1 Der gemessene Lorentzversatz 2 2 2 2 2 Con 79 6 2 Der Lorentzversatz in Abh ngigkeit von der Spannung 83 6 3 Der Lorentzversatz in Abh ngigkeit von der Temperatur 85 6 4 Der Hallstreufaktor 2 22 2 on nn 87 6 5 Die Lorentzwinkel 2 22 2 Coon 90 6 5 1 Lorentzwinkel in unbestrahlten Detektoren 90 6 5 2 Lorentzwinkel im bestrahlten Detektor KAL 91 7 Zusammenfassung 93 Literaturverzeichnis 95 Abbildungsverzeichnis 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 2 10 2 11 2 12 2 13 3 1 3 2 3 3 3 4 3 9 3 6 3 7 3 8 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 Diamant und Zinkblendestruktur 2 2 222 222 3 Bildung der B nder im Festk rper aus diskreten Energiezust nden 4 Metall Halbleiter und Isolator im B ndermode
83. n welche dann nicht mehr zur Signalbildung beitragen k nnen Diese Zust nde werden traps genannt trap engl Falle 3 2 STRAHLENSCH DIGUNGEN 27 Eine Folge der oben beschriebenen Defektbildung ist die Ver nderung der effektiven Dotierung Neff Durch Bestrahlung von n dotierten Detektoren werden Akzeptoren erzeugt die die urspr ngliche effektive Dotierung sinken lassen bis der Halbleiter intrinsisch wird Weitere Bestrahlung f hrt dazu da die effektive Dotierung wieder zunimmt aus dem n dotierten Detektor allerdings ein p dotierter wird Dies ist die Typinversion Abbildung 3 4 zeigt die effektive Dotierung eines hochohmigen Halbleiters in Abh ngigkeit des Strahlungsflusses von 1MeV Neutronen 5000F IR 5 gt 1000 102 500 type inversion Nee 10 cm Uds V d 107 10 10 102 103 12 2 104 cm Abbildung 3 4 Effektive Dotierungsdichte der Teststrukturen Der Betrag der effektiven Dotierungsdichte eines Detektors sinkt mit dem Strah lungsflu und steigt nach der Typinversion wieder an Nach Mol99 Oberfl chendefekte Im Gegensatz zu Volumendefekten entstehen Oberfl chendefekte nicht durch den nicht ionisierenden Energieverlust sondern durch die Ionisierung von La dungstr gern in Siliziumdioxid SiO2 Die Bandl cke in SiO betr gt 8 8eV Ein Teil der Ladungstr ger rekombiniert wieder der andere wandert im elek trischen Feld zu den Elektroden Hierbei k nnen L cher an der
84. n m ssen ausgew hlt werden Abbildung 5 10 zeigt das Fenster Setup Die Funktionen werden im Folgenden erkl rt Abbildung 5 10 Das Fenster Setup Das Fenster Setup mu aufgerufen werden um die RAMs der Treiberkarte zu laden und die Rahmendaten des Detektors auszuw hlen e Load RAM Die RAMs der Treiberkarte werden mit den Daten f r den Datennahmezyklus und den Auslesezyklus geladen Abbildung 5 11 zeigt das Fenster in dem das Timing des Auslesechips eingestellt wird ber das Eingabefeld Logic RAM wird der Grundzustand der Signallinie defi niert Time On und Time Off definieren die Schaltzeiten des Signals In RAM 1 stehen die Signale f r den Datennahmezyklus in RAM 2 die Da ten f r den Auslesezyklus Der Premux128 Chip ben tigt nur die Signale 51 52 1 2 und Shift_In Das Signal CVRT liefert das Konversions signal f r den ADC Mit dem Signal TP k nnen Testpulse auf den Ausle sechip gegeben werden Window ist das Auswahlfenster zum Start eines Auslesezyklus Die Eingabe SI_Position gibt die Position an ab der das Shift_In Signal erzeugt und der Token in den Auslesechip gef hrt wird e Test RAM Liest beide RAMs aus So l t sich kontrollieren ob der Schreibvorgang erfolgreich war 5 3 3 BESCHREIBUNG DER DATENNAHMESOFTWARE 71 Al h an a a Aaj ha a Abbildung 5 11 Das Fenster Load RAM In diesem Fenster wird das Timing des Auslesechips eingestellt Oben stehen die Signale der Da
85. nd es in ein definiertes Zeitfenster das sogenannte Window f llt wird der Trigger als g ltig erkannt und es beginnt die Auslesephase Das Window stellt die sensitive Zeit des Auslesechips dar Es wird f r die Detektierung von Teilchen ben tigt Nur wenn ein Teilchen genau w hrend der Zeit des Windows den Detektor durchdringt und den Trigger ausl st kann die deponierte Ladung gemessen werden indem sich der zu S2 geh rige Kondensator aufl dt Das Zeitfenster befindet sich zwischen dem Zeitpunkt des Baselinesamplings S1 und vor dem Sampling des Peaks S2 Da in unserem Aufbau keine Teilchen detektiert werden sondern zeitlich definierte Laserpulse Ladungen im Detektor erzeugen ist der Zeitpunkt des Triggers bekannt Der Laser kann also zeitlich so gesteuert werden da die Ladungserzeugung und LED Light Emitting Diode 4 2 DER VERSUCHSAUFBAU UND SEINE KOMPONENTEN 49 Tek Run 50 0455 Sample I f Ta ala nu Reset ns rer i en Mora ass ere ws s2 Ch 2008 a Chi Toe Abbildung 4 15 Die Signale der Datennahmephase Oszilloskopbild der Eingangssignale Reset S1 und 52 Das Reset Signal wird f r den Premux128 Chip nicht ben tigt Tek fun Ji gwas Sample Chi oki mn men Shift_In M ii INH va ik lon mm III 2 00 W ii 2 508 Chi 3m Abbildung 4 16 Die Signale der Auslesephase Oszilloskopbild der Eingangssignale Shift_In 1 und 22 sammlung immer in das Window f llt Der va
86. neare N herung f r kleine elektrische Feldst rken dar Nach Sze81 Elektronen 5 lin 1 43 10 De 2 36 L cher 5 lip 1 35 108 Be 2 37 F r sinkende Temperaturen steigen die Driftmobilit ten an Nach Gleichung 2 34 w chst der Lorentzwinkel Abbildung 2 13 zeigt die Temperaturabh ngigkeit des Hallfaktors F r Elek tronen sinkt er zwischen den Temperaturen von etwa 500 und 180K auf einen Wert rz 180K 1 und f r L cher steigt er auf rz 180K 0 8 KAPITEL 2 GRUNDLAGEN ZUM VERST NDNIS EINES 20 HALBLEITERDETEKTORS 4 108 cm Vs 108 fees AINE IEE siping ERT na 10 tem mE Bi CN EE HAHH sos L T AD Nett are A cro AH NEE Caer KUTT EE Ht 10 Abbildung 2 12 Die Driftmobilit t bei verschiedenen Temperaturen Dargestellt ist der Verlauf f r verschiedene Dotierungen Die durchgezogene Linie zeigt den Verlauf der Theorie Nach LB82 00 1000 K 1200 Abbildung 2 13 Der Hallfaktor in Abh ngigkeit von der Temperatur Die Dotierungskonzentrationen betragen Np 1 75 1014 oder 2 1 101 1 cm und Na 3 1 101 oder 7 0 10 1 em Die durchgezogenen Linien zeigen theoretische Berechnungen Nach LB82 Kapitel 3 Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Dieses Kapitel gibt einen kurzen berblick ber die Wechselwirkungen von Teilchen und Licht mit Materie Die daraus resultierenden mikroskopischen Sch digungen werden erw hnt und anhand zwei
87. nes angelegten elektrischen Feldes zu den entsprechenden Elektroden driften Rechts ist das Ersatzschaltbild des Detektors zu sehen Der Detektor ist vollst ndig depletiert wenn die Raumladungszone sich ber die ganze Dicke D des Detektors erstreckt e VralD gt Np Diese Gleichung bietet die M glichkeit bei gegebener Dicke D des Detektors und gemessener voller Depletionsspannung Vea die Dotierungsdichte Np zu bestimmen Bei der Entwicklung von Detektoren ist man bestrebt eine m glichst geringe volle Depletionsspannung zu erreichen Es ist offensichtlich da dies nur mit einer geringen Dotierungsdichte Np erreicht wird Eine geringe Dotierung ist mit einem hohen spezifischen Widerstand gleichzu 2 16 setzen 1 Dda 2 17 Nea 2 17 p Um die volle Depletionsspannung eines Detektors zu messen greift man auf ei ne Kapazit tsmessung zur ck Die depletierte Schicht des p n bergangs wirkt wie ein Plattenkondensator Mit der Oberfl che A des Substrats und einer an gelegten Spannung Vgey gilt Coutk E Z 2 18 A D 2upVaep Couik _ Exel Vaep lt Vja 2 19 A 5 Vaep gt Vja fd engl full depletion KAPITEL 2 GRUNDLAGEN ZUM VERST NDNIS EINES 12 HALBLEITERDETEKTORS Aus dieser Messung ist die vollst ndige Depletionsspannung Vyq direkt abzulesen Mit zunehmender Spannung nimmt die Dicke der Raumladungszone zu und die Kapazit t ab Ist der Detektor vollst ndig depletiert bleibt die Dicke der Ra
88. ngezeigt L m m E E a b ie a py j A EE At ipaig Abbildung 5 12 Das Fenster Barycenter Diese Fenster beinhaltet die eigentliche Datennahmefunktionalit t Die bei der Berechnung des Ladungsschwerpunkts zu ber cksichtigenden Streifen m ssen angegeben werden Die Position des Ladungsschwerpunkts wird ausgegeben Die Mittelwerte der Pulsformen werden w hrend der Messung angezeigt Die Ein und Ausgabe im berblick e strip p strip n Angabe des Streifens der jeweiligen Seite ab der die La dungsschwerpunktsberechnung durchgef hrt wird e N p N n Anzahl der Streifen die in die Ladungsschwerpunktsberechnung ab den Streifen strip p strip n aufgenommen werden 5 4 DIE DATENAUSWERTUNG 73 e ph p ph n Gemittelte Pulsh hen des Signals auf der p bzw n Seite e sn p sn n Signal zu Rausch Verh ltnis des Signals auf der p bzw n Seite e z ph p x ph n Ladungsschwerpunkt des Signals auf der p bzw n Seite e T K Anzeige der Temperaturen die am Hybriden gemessen werden Sie he auch Tabelle 4 3 e B U I At Hier werden Magnetfeld Spannung Leckstrom des Detektors und Verz gerung des Delays angegeben e Save to Disk Aktivierung der Rohdatenaufzeichnung Die Speicherung der berechneten Ladungsschwerpunkte erfolgt ber das ein gebaute Logging von LabVIEW Nach jeder Messung speichert LabVIEW die auf dem Frontpanel angezeigten Daten Zur Aktivierung mu der Men punkt Operate Log at Co
89. r Common Mode Berechnung heran gezogen werden Die Iterationsschleife wurde in unserem Algorithmus dreimal durchlaufen Abbildung 5 7 zeigt die Grundlinienverschiebung nach der ersten Common Mode Berechnung aufgrund eines starken Lasersignals von 300 ADC Einheiten Linie nl com und die korrigierten Werte nach der iterativen Korrektur Linie PH Gute Werte lieferte AVNTHRES 2 ie ii we ide we vie vig a ia ido tio Te dg pie et a qea yia vie oa an Abbildung 5 7 Grundlinienverschiebung durch gro es Signal Durch die iterative Berechnung des Common Modes wird dieser Effekt korri giert Aufgetragen sind die Daten nach der Pedestalkorrektur gestrichelte Li nie nach der 1 Common Mode Berechnung gestrichelt punktierte Linie und nach der iterativen Common Mode Berechnung durchgezogene Linie 66 KAPITEL 5 DIE AUSLESESOFTWARE Abbildung 5 8 zeigt die Signale w hrend der einzelnen Berechnungsstufen wie sie im Ausleseprogramm zu sehen sind Nach diesen Kalkulationen liegt die Grundlinie der Detektoren wieder auf Null und mit der Berechnung des Ladungsschwerpunkts kann begonnen werden Der Ladungsschwerpunkt ist definiert als on DE PHO 20 me PHC vn Mithilfe dieser Formel l t sich der Versatz des Ladungsschwerpunkts bei verschiedenen magnetischen Feldst rken berechnen Im Anhang befinden sich die Struktogramme zu den verwendeten Algorithmen der Pedestal und Common Mode Korrektur ER r Foal A awm f a N ar ma w pow Ar ai
90. r Ladungssammlungseffizienz bei etwa 130K Dies ist der Lazarus Effekt Bei der Erkl rung des Effektes geht man davon aus da es m glich ist tiefe St rstellen einzufrieren Sie werden mit Ladungstr gern gef llt geben diese jedoch aufgrund der niedrigen thermischen Energie der Umgebung nicht oder erst verz gert wieder ab und werden deshalb inaktiv Eine Erkl rung des Lazaruseffektes findet man in den Publikationen der RD39 Kollaboration oder in Jun00 Weitere Informationen zu Strahlensch di gungen und ihren Konsequenzen sind in Wun92 und Mol99 zu finden 3 3 Messungen an den Hera B Teststrukturen F r die Lorentzwinkelmessungen wurden vom Max Planck Institut M nchen Hera B Teststrukturen zur Verf gung gestellt Ihr Aufbau wird im Kapitel des Versuchsaufbaus der Lorentzwinkelmessungen beschrieben Die Teststrukturen wurden im Forschungszentrum Karlsruhe mit mononergetischen Protonen der Energie E 21 MeV unterschiedlichen Flusses bestrahlt Tabelle 3 1 gibt einen berblick ber die im Folgenden verwendeten Bezeichnungen den Bestrah lungsflu und den quivalentflu KAI KAII KAIII KAVI KAVIII Tabelle 3 1 Die Strahlendosis der Hera B Teststrukturen Die Namen der Test strukturen der Bestrahlungsflu von 21 MeV Protonen und der Aquivalten flu Peg von 1 MeV Neutronen werden angegeben Die Teststrukturen wurden auf ihr Strom Spannungs und ihr Kapazit t Spannungs Verhalten getestet Dabei wurden je
91. reifendetektor besteht aus einem n dotierten Silizium substrat in welchem an einer Seite stark p dotierte p Streifen implantiert wurden Sie bilden die p n berg nge des Detektors Eine Schicht des Isola tors SiO trennt die sich an der Oberfl che befindenden Aluminiumstreifen von den Implantaten Der Detektor wird tiber diese Aluminiumstreifen ausge lesen Die Isolationsschicht bewirkt eine kapazitive Kopplung zwischen Ausle sestreifen und Implantaten Auf der Riickseite des Detektors befindet sich eine n Schicht an die eine Aluminiumschicht angrenzt Abbildung 2 7 zeigt das Schema eines solchen Detektors Zwischen den p Streifen und der R ckseite des Detektors wird eine Spannung angelegt Die Implantate werden tiber Bias widerst nde so auf ein Potential gelegt da die p n berg nge der Streifen in Sperrichtung betrieben werden Das Gebiet um den p n bergang verarmt zu erst an freien Ladungstr gern Die Raumladungszone bildet sich Mit Erh hung der Spannung dehnt sie sich so lange aus bis die R ckseite erreicht wird und der ganze Detektor depletiert ist F r einen n dotierten Detektor gilt wie f r eine asymmetrische Diode Na gt gt Np gt dn gt gt dp 2 12 Der p n Ubergang ist also stark asymmetrisch Fiir die Tiefe des verarmten Bereiches gilt 2e dp Vp 2 1 n END Pit 2 13 Die Diffusionsspannung l t sich in dieser N herung ausdr cken als E 2 Voit gt ze NDdn 2 14 berlagert man d
92. riable Lemo Ausgang wird dazu verwendet den Beginn der Datennahme zu signalisieren und relativ hierzu ber die Verz gerungseinheit den Laser auszul sen Auf jede Datennahme folgt so ein Auslesezyklus Das Triggereingangssignal ist in unserem Setup also berfl ssig Deswegen wird der Triggereingang der Karte konstant auf 5 V gehalten 50 KAPITEL 4 DIE MESSUNG DES LORENTZWINKELS In der Auslesephase werden durch den Multiplexer im Premux128 Chip s mtliche Kan le nacheinander ausgelesen Hierf r dienen die Signale 1 2 Shift In und Convert Das Convert Signal synchronisiert den ADC mit der Treiberkarte im Auslesezyklus Die Treiberkarte besteht aus 2 RAMs Ein RAM speichert die Signale der Datennahme und das andere die der Auslesephase Die Signale werden erzeugt indem ein Z hler die Adressen der RAMs hochz hlt und den Inhalt dieser Adressen auf die Signalleitungen legt Der Flash ADC Die zu konvertierenden Signale gelangen vom Hybrid ber die Repeaterkarte zu einem 10 Bit ADC Er wird ber das Convert Signal mit der Auslese des Detektors synchronisiert W hrend jedem Taktzyklus wird die Signalspannung eines Kanals in eine 10 Bit Zahl umgewandelt und in einem RAM abgespei chert Die gewandelten Signale liegen in dem digitalen Bereich zwischen 0 und 1024 Dies ist der dynamische Bereich dieses ADCs Er kann also nur in einem gewissen Signalbereich sensitiv sein Deswegen beherbergt die ADC Karte noch einen DAC Mit seiner
93. rings Hierbei werden gezielt Verunreinigungen in den Halbleiter eingebracht um die Abnahme der Ladungssammlungseffizienz mit dem Bestrahlungsflu g nstig zu beeinflussen RC99b Bei diesen Untersuchungen hat sich herausgestellt da eine erh hte Sauerstoffkonzentration in Silizium die Lebenszeit der Detek toren verl ngern kann Die RD39 Kollaboration versucht dasselbe Ziel durch Verwendung des sogenannten Lazarus Effektes zu erreichen RC99a RC00 Hierzu werden Halbleiterdetektoren auf kryogene Temperaturen gek hlt und betrieben Es wurde festgestellt da die Ladungssammlungseffizienz mit sinkender Temperatur ansteigt und ein Maximum bei etwa 130 K erreicht Der Spurdetektor von CMS einem Experiment des LHC besteht aus Halbleiterdetektoren mit einer Fl che von insgesamt 220 m Sie werden bei ei ner Temperatur von 10 C betrieben um den erh hten Leckstrom aufgrund der Strahlensch digung zu reduzieren Ein hohes Magnetfeld von AT wird benutzt um den Impuls schneller geladener Teilchen zu bestimmen Durchlaufen ge ladene Teilchen einen Halbleiterdetektor werden ionisierte Ladungen erzeugt Sie werden w hrend der Drift durch den Detektor aufgrund des Magnetfelds abgelenkt Das Signal weitet sich auf und kann bei geringer H he im Rauschen untergehen Zus tzlich ndert sich die Position des Signalmaximums und damit die Ortsbestimmung der detektierten Teilchen Deswegen ist es wichtig diesen Lorentzversatz bei unbestrahlten
94. ronen 77 K L cher 77 K Bias V Agim Az um 40 48 309 100 33 184 200 300 Tabelle 6 3 Lorentzwinkel in unbestrahlten Detektoren bei T 77K Aus dem Lorentzversatz ergibt sich bei einer durchschnittlichen Dicke der aktiven Zone der Detektoren von Az 280 um der Lorentzwinkel Angegeben ist der Lorentz winkel f r Elektronen und L cher Der Gr tfehler betr gt f r Elektronen und L cher bei den angegebenen Temperaturen etwa 10 6 5 DIE LORENTZWINKEL 91 6 5 2 Lorentzwinkel im bestrahlten Detektor KA1 Die folgenden Tabellen geben die Lorentzwinkel im bestrahlten Detektor KA1 an Er wurde mit Protonen der Energie E 21 MeV und einer Flu dichte von 1 10 2 bestrahlt Der Detektorbulk ist invertiert und hat eine effektive Dotierungskonzentration von Neff 1 67 10 em Elektronen 260 K L cher 260 K Bias V Azx um Az um Tabelle 6 4 Lorentzwinkel im bestrahlten Detektor KA1 bei T 260K Aus dem Lorentzversatz ergibt sich bei einer durchschnittlichen Detektor Dicke Az 280 um der Lorentzwinkel Angegeben ist der Lorentzwinkel f r Elektro nen und L cher Der Gr tfehler betr gt f r Elektronen und L cher bei den angegebenen Temperaturen etwa 6 Elektronen 77 K L cher 77 K Bias V Azx um Az um Tabelle 6 5 Lorentzwinkel im bestrahlten Detektor KA1 bei T 77K Aus dem Lorentzversatz ergibt sich bei einer durchschnittlichen Dicke der ak
95. rten der Datennahme Runs in vorgegebenen Intervallen Fenster Barycenter Berechnung des Ladungsschwerpunktes der gemessenen Signale Angabe des zur Berechnung heranzuziehenden Streifenbereichs Angabe von Logging Informationen zur Erleichterung der Offline Datenanalyse Option Save To Disk zur Aktivierung des Rohdatenloggings Abbildung 5 13 bersichtstafel der Datennahmesoftware Eine bersicht der Fenster wird dargestellt Am rechten Rand befindet sich eine Zusammenfassung der zugeh rigen Funktionen 5 4 DIE DATENAUSWERTUNG 75 Ost 10 41 0 3 000000 60 000000 3 700000 53 000000 0 171 641550 150 002916 100 470025 152 649512 150 459475 154 913449 140 55855 10 40 1627 624472 106 233317 1626 006432 63 299905 160 20 30 343035 175 091894 9532 181360 05 3545 040500 10 44 1 7 000000 50 000000 14 000000 530 000000 0 167 452777 1456 566145 1585 316305 150 095645 48 175580 152631447 13 673367 1040 1613 341676 107 193323 1614 093366 63 054794 160 a0 S517 TS 173 775469 9519 546795 08 440597 gann 10 45 2 6 000000 50 000000 14 000000 530 000000 0 171 323179 149 63645 160030783 152 435254 150 195774 154 463576 140 563139 10 40 1657 657105 105 574249 1655 223061 62 060502 160 30 9521 014006 174 121772 9522 315930 08 653912 40600 i047 3 5 000000 50 000000 15 000000 30 000000 0 143 642038 140 990746 153 Z34735 137 642704 149 3208 153 317951 132 5577 10 40 1692 953003 102820541 1693 530300 61 5526
96. schematische Aufbau des Premux128 Chips ist in der oberen Zeichung dar gestellt Das Signal nach jeder Bearbeitungsstufe und die Signale S1 und S2 des Double Correlated Samplers sind unten angegeben 4 2 DER VERSUCHSAUFBAU UND SEINE KOMPONENTEN 41 Die n chste Stufe des Chips stellen die Double Correlated Sampler dar Ihre Aufgabe ist es mit zwei Schaltern S1 und S2 zum einen die Grundlinie des Signals und zum anderen die Signalspitze in zwei Kondensatoren C 2 pF zu speichern Durch Subtraktion beider Signale ist es m glich einen chipabh ngigen Offset den sogenannten Common Mode schon im Auslesechip zu unterdr cken Da der Chip nur einen einzigen Ausgang hat m ssen die 128 Kan le nacheinan der auf ihn geschaltet werden Diese Aufgabe erf llt die Multiplexereinheit Sie enth lt ein Schieberegister Mittels eines Tokens welches vom Shift_In Signal in den Premux128 Chip gegeben wird werden nacheinander alle Kondensatorpaa re mit dem Ausgang verbunden Ist der Token in den Chip gewandert wird er mit Hilfe zweier Taktsignale 1 und 2 durch das Schieberegister bewegt In Abbildung 4 8 ist der Schaltkreis des Double Correlated Samplings dargestellt Tout AOUT lt I gt AOUT lt 2 gt VSS Abbildung 4 8 Der Schaltkreis des Double Correlated Samplers im Premux128 Chip Gezeigt werden die Schalter S1 S2 mit den zugeh rigen Kondensatoren und die Signalausg nge Nach Jon95 Die Arbeit des Chips l t sich in 2
97. sestreifens Dies ist die kapazitive Hauptlast des Auslesechips und stellt deswegen eine weitere Hauptquelle des Rauschens dar Aus diesem Grund f hren l ngere Streifen zu einem h heren Rauschen als k rzere Die Zwischenstreifenkapazit t Mit der Zwischenstreifenkapazit t ist die kapazitive Streifen Streifen Kopplung umschrieben Sie ist eine Hauptursache des Rauschens im ladungsemfindlichen Verst rker des Auslesechips Weitere Informationen zur Evaluierung von Siliziumstreifendetektoren und ih ren Fehlern findet man in Har00 2 4 Der Lorentzwinkel Elektronen und L cher werden im Magnetfeld von ihrer geraden Bahn abge lenkt Bei Anwesenheit eines elektrischen und magnetischen Feldes wirken auf die Ladungstr ger die Kr fte gt F cE e x B m 2 21 e Ale Der erste Term beschreibt die resultierende Kraft aufgrund des elektrischen Feldes der zweite Term gibt die Wirkung der Lorentzkraft an und der letz KAPITEL 2 GRUNDLAGEN ZUM VERST NDNIS EINES 16 HALBLEITERDETEKTORS SB Abbildung 2 10 Wahl des Koordinatensystems f r die Erkl rung des Halleffek tes Die y Richtung und auch das Magnetfeld zeigen senkrecht in die Zeichene bene Nach Hei99 te Term beschreibt den Effekt von Relaxationsst en mit der Relaxationszeit T von Ladungstr gern der Geschwindigeit v im Kristall m ist die effektive Masse Das magnetische Feld lenkt die Ladungstr ger senkrecht zu ihrer Bewe gungsrichtung ab Die
98. st erlaubte nur Messungen in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis hin zu 10 C Ferner kam nur eine SLD der Wellenl nge 830nm zur Ladungstr gererzeugung zum Einsatz Ein Macintosh Quadra 700 bernahm die Datennahme und deren Analyse Neue Forschungen auf dem Gebiet kryogener Halbleiterdetektoren am CERN in Genf machten es jedoch not wendig den Lorentzwinkel auch bei niedrigeren Temperaturen zu messen Der bislang verwendete Aluminium Rundstab wurde wegen der schlechteren W rmeleitf higkeit durch einen Stab aus GFK ersetzt Eine Temperatur steuerung wurde eingef hrt Zus tzlich wurden jetzt Laserdioden mit 650 und 1060 nm Wellenl nge eingesetzt Der veraltete Macintosh Quadra 700 wurde gegen ein leistungsf higeres PC System mit Intel Pentium II Prozessor 233 MHz ausgetauscht Dazu wurde die Software erweitert und flexibler gemacht Durch die erh hte Leistungsf higkeit und Flexibilit t der Software ISLD Superlumineszensdiode GFK Glasfaser verst rkter Kunststoff 3LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 36 KAPITEL 4 DIE MESSUNG DES LORENTZWINKELS wurde es m glich rechenintensive Programmoptionen und eine umfassende automatische Datenprotokollierung zu implementieren In Abbildung 4 2 ist der Aufbau zur Messung des Lorentzwinkels schematisch dargestellt Funktionsweise des Setups Zur Messung des Lorentzwinkels kommen von Sintef produzierte doppelsei tige Hera B Teststrukturen zum
99. ten Detektoren Frau Edeltraud Haas bew ltigte verwaltungstechnische Fragen in unkomplizier ter Weise Der RD39 Kollaboration danke ich f r die interessante Zusammenarbeit im Forschungsgebiet kryogener Halbleiterdetektoren Die Mitglieder der Elektronikwerkstatt und der Mechanikwerkstatt erledigten zuverl ssig und schnell anfallende Auftr ge Mein Dank geht auch an die Mitarbeiter der CMS und Elektronik Gruppe f r die hilfreichen Gespr che und die angenehme Arbeitsatmosph re Zuletzt m chte ich mich bei meiner Familie und meinen Freunden f r die Un terst tzung bedanken die sie mir w hrend der Zeit meines Physikstudiums entgegenbrachten 99 Anhang A for s 0 s lt nStrips s for ev 0 ev lt nEvents ev Ped s ADC s ev Ped s nEvents for ev 0 ev lt nEvents ev Pedestals ADC sev Ped s for ev 0 ev lt nEvents ev for c 0 c lt nChips c smin c 128 smax smin 128 for s smin s lt smax S avers ADC s ev 128 for s 0 s lt nStrips s ADC s ev avers Common Mode for s 0 s lt nStrips s for ev 0 ev lt nEvents ev Noi s ADC s ev ADC s ev Noi s sqrt Noi s nEvents Noise Abbildung 1 Struktogramm der Pedestalnahme 101 102 Common Mode Common Mode Iterative Korrektur Abbildung 2 Struktogramm der Rohdatenbearbeitung nach der Datennahme Pedestals 1 Korrektur Signal Noise
100. tennahmephase und unten die der Auslesephase Debug CINs Option zur Anzeige von Debuginformation aus den integrier ten C Programme Test Pulse On und TPO TP2 Aktivierung der Test Pulse und Auswahl der Testpulsleitungen Channels Anzahl der Kan le des Detektors in Schritten von 128 Detector Auswahl des Detektors Im Quellcode des Programms sind f r jeden Detektor die defekten Streifen gekennzeichnet welche von der Roh datenbearbeitung ausgeschlossen sind Excluded Strips Hier werden die im Quellcode definierten defekten Strei fen angezeigt Base Path Pfadangabe f r die Datenaufzeichnung AVNThreshold Das durchschnittliche Rauschen mit diesem Faktor mul tipliziert ergibt die Auswahlbedingung f r die iterative Common Mode Korrektur N here Informationen stehen im Kapitel 5 2 Die Rohdaten bearbeitung Bad Noise Upper Threshold Grenze ab der ein Streifen wegen zu hohem Rauschen von der Common Mode Berechnung ausgeschlossen wird Conv_Del 0 1 Verz gerung des Convert Signals ber zwei Bits 72 KAPITEL 5 DIE AUSLESESOFTWARE e Accept Values Best tigung der gew hlten Einstellungen 5 3 3 Das Fenster Barycenter Mit dem Aufruf des Programms Barycenter ber den Knopf Start Daq beginnt die Messung Der Detektor wird so oft ausgelesen wie die Option RUNS im Fenster ShowChannels angibt In der Anzeige werden die Mittelwerte der Pulsh hen und des Signal zu Rausch Verh ltnisses a
101. tet ROOT gt x lognumK c Dateiname txt 76 KAPITEL 5 DIE AUSLESESOFTWARE 3 Mit diesen Informationen kann das Root Programm log_rep c zur Auswertung des Lorentzwinkels gestartet werden Es liest die Ladungs schwerpunkte eines Magnetfeldlaufs ein und f hrt eine lineare Regression f r jede Seite des Detektors durch Manchmal bietet es sich an statt der vorhandenen 8 Me punkte nur die ersten Messungen bei den Feldst rken 1 bis 4 T heranzuziehen Dies ist von Vorteil wenn Fffekte eines starken Magnetfeldes ausgeschlossen werden sollen Das Programm gibt die lineare Regression der Messungen graphisch aus und speichert sie in einer Postscriptdatei Die Syntax des Programmaufrufs lautet ROOT gt x log rep c Dateiname txt A B wobei A und B die Nummern zu den Eintr gen von 0 und 8 Tesla darstellen In Abbildung 5 16 ist die Ausgabe der linearen Regression dargestellt Angezeigt wird die angelegte Depletionsspannung die mitt lere Temperatur der Messungen und die verwendete Lichtquelle mit Angabe der Seite auf der das Licht eingestrahlt wird Weiter werden die berechneten Werte der linearen Regression beider Seiten angeben die G te der Messungen und der Lorentzversatz f r 4T Im unteren Teil der Grafik werden die Temperaturen der zum Me zeitpunkt auf der Ober und der Unterseite der Platine angezeigt Abweichungen von der Erwartung bei der Messung des Lorentzversatzes lassen sich so mit der gemess
102. umladungszone konstant In doppeltlogarithmischer Auftragung erkennt man die Spannung Vyqg als den Schnittpunkt zweier Geraden siehe zum Beispiel Abbildung 3 7 L uft ein ionisierendes Teilchen durch den depletierten Bereich eines Halbleiterdetektors so werden Elektron Loch Paare erzeugt die aufgrund des elektrischen Feldes zu ihren korrespondierenden Elektroden wandern und durch die Drift im elektrischen Feld an den Elektroden ein Signal erzeugen Ist ein Bereich des Detektors nicht depletiert so werden zwar auch Elektron Loch Paare erzeugt sie erfahren jedoch keine Drift da in diesem Bereich kein elektrisches Feld anliegt und tragen deswegen nicht zur Signalerzeugung bei Zur Darstellung des Elektrischen Feldes und des Potentials im Si Halbleiterdetektor werden in den Abbildungen 2 8 und 2 9 Tesca Simulationen Gaj92 gezeigt Die Simulationen beschreiben eine Diode mit einer Dicke von 300 um und einer Dotierungsdichte von Np 6 43 101 cm Die Implantatdicke beider Seiten betr gt lum mit einer Dotierungsdichte von Np a 1 10 cm Die Temperatur der Simulation betr gt T 300 K Weitere Informationen zu Tesca sind in der Diplomarbeit Gra98 zu finden Weitere Komponenten eines Siliziumstreifendetektors Biasring Der Biasring ist der Hauptkontakt der den Detektor mit Spannung versorgt ber die Biaswiderst nde legt er die Implantate auf Potential Der Biasring umrundet den Detektor um allen Biaswiderst nden die gleic
103. urement e not irr x E O e 1el3 p cm 1 5 E t Simulation r 2 1 E 0 5 E 0 Ea BER AG TORE BR ER RT OB S O U RE RR RD ZN EN BAR ES RER RR OV 0 100 300 Voltage V Abbildung 6 4 Der Lorentzversatz der Elektronen im bestrahlten und im un bestrahlten Detektor in Abh ngigkeit von der Spannung Die Linien zeigen Simulationen mit dem Programm DAVINCT Die Simulatio nen wurden f r Elektronen mit einem Hallstreufaktor ry 2 0 durchgef hrt Der Lorentzversatz ist eine Funktion der Spannung Da die Driftgeschwin digkeit bei hohen elektrischen Feldst rken nicht mehr linear w chst sondern mit wachsendem elektrischen Feld s ttigt sinkt die Mobilit t Der Lorentzver satz wird kleiner Abbildungen 6 4 und 6 5 zeigen diese Abh ngigkeit sowohl bei dem bestrahlten Detektor KA1 als auch bei den unbestrahlten Detektoren Der Abfall des Lorentzversatzes bei dem bestrahlten Detekor KA1 unterhalb von 100 V kann auf Unterdepletion zur ckgef hrt werden Die Intensit t des La sers war bei diesen Messungen sehr hoch eingestellt Dies f hrte dazu da selbst bei der Einstrahlung des 650 nm Lasers auf die p Seite noch ein Signal erzeugt werden konnte Der Laser erzeugte durch die undepletierte Zone hindurch im sensitiven Bereich des Detektors noch gen gend Ladungstr ger um ein Signal zu erzeugen 84 KAPITEL 6 ERGEBNISSE x T holes T 77K B 4T E er E Measurement W h not irr x E h 1e
104. verz gern da die Auslese des Detektors zeitlich genau mit der Ladungserzeugung und der darauffolgenden Ladungssammlung im Detektor bereinstimmt ADC und Treiberkarte befinden sich in einem VMES Crate welches die beiden Karten ber einen Mikrocomputer Bus verbindet Beide Karten werden ber den VME Bus programmiert Die Programmierung erfolgt mittels der grafischen Programmiersprache G Hierzu stand die Program mierumgebung LabVIEW der Firma National Instruments zur Verf gung Die Verbindung zwischen dem PCI Bus des PCs und dem VME Bus wurde ber den MXI9 2 Bus realisiert Es wird sowohl eine PCI MXI Interface Karte im PCI Bus des Personal Computers als auch eine VME MXI Interface Karte im VME Bus ben tigt Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten genauer beschrieben 4Sintef Hersteller von Halbleiterdetektoren Oslo Norwegen Hera B Experiment am Deutschen Elektronen Synchrotron DESY 6 ADC Analog Digital Converter engl Analog Digital Wandler LEPSI LEPSI Strasbourg Frankreich 8VME Versa Module Eurocard 9MXI high speed Multisystem eXtension Interface 4 2 DER VERSUCHSAUFBAU UND SEINE KOMPONENTEN 37 Ta pae naa curano 7 E me Biasring me AC Pad DC eee von Biaswiderstand an Implantat Abbildung 4 3 Bild der n Seite der Hera B Teststruktur Die n Seite des Detektors hat einen Pitch von 80 um Um die aktive Fl che des Detektors befinden sich Guardringe Die kapazitiven gekoppelten Auslese pads
105. weils die Biasringe der Vorder und der R ckseite kontaktiert und verschiedene Spannungen angelegt Die Guardringe wurden auf kein definiertes Potential gelegt Bei der Messung der Strom Spannungskennlinie kam ein Keithley 6517A zum Einsatz Die Kapazit tskennlinie wurde mit einem Hewlett Packard 4274A aufgenommen Abbildung 3 5 zeigt die Strom Spannungs Kennlinie des unbestrahlten De tektors KAVI In Abbildung 3 6 ist der Leckstrom in Abh ngigkeit des Bestrahlungsflusses zu sehen Das wurzelf rmige Verhalten der Kennlinie ist gut zu beobachten Mit dem Bestrahlungsflu steigt der Leckstrom stark an Abbildung 3 7 zeigt die Kapazit t der Detektoren als Funktion der Span nung Wie aus Gleichung 2 15 zu ersehen erwartet man in der doppeltlogarith mischen Darstellung ein Sinken der Kapazit t mit wachsender Depletionsspan nung Ist der Detektor vollst ndig depletiert wird ein konstanter Verlauf der 30KAPITEL 3 WECHSELWIRKUNG VON STRAHLUNG MIT MATERIE lt 5 00E 07 4 50E 07 4 00E 07 3 50E 07 3 00E 07 2 50E 07 2 00E 07 1 50E 07 1 00E 07 5 00E 08 0 00E 00 e KAVI 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 U V Abbildung 3 5 Leckstrom des unbestrahlten Detektors KAVI Die Messung wurde bei Raumtemperatur durchgeftihrt 3 00E 04 IA 2 50E 04 2 00E 04 1 50E 04 1 00E 04 5 00E 05 0 00E 00 KAI KAII t KAIII lt KAVI
106. ximale Anzahl der Auslesezyklen 5 2 DIE ROHDATENBEARBEITUNG 63 Xna ADC i PED i ADC i 5 1 nmax Bei unseren Messungen wurden f r die Pedestal Berechnungen die ADC Werte aus 10 bis 30 Auslesezyklen gemittelt Abbildung 5 4 zeigt die Pedestals des Detektors KA10 iba om e wt o ow ow tl ao oo oe ie oe ee oo oe ee Kan le Abbildung 5 5 Common Modes der beiden Premux128 Chips des Hybrids des Detektors KA10 Der Common Mode ist von Datennahme zu Datennahme verschieden Hier betr gt die Common Mode Korrektur der Auslesechips etwa 1 bis 2 ADC Einheiten Der zweite Offset ist chipabh ngig Er ist f r alle 128 Kan le eines Premux128 Chips gleich Seine Berechnung ist etwas aufwendiger da er nicht zeitlich konstant ist sondern von Datennahmezyklus zu Datennahmezyklus va riiert Er kann also nicht vor der eigentlichen Messung bestimmt werden son dern mu w hrend der Datenauswertung berechnet werden Dieser Offset wird Common Mode genannt _ DADC i Ped i COM c 158 5 2 Abbildung 5 5 zeigt den Common Mode eines Datennahmezyklus f r die beiden Premux128 Chips des Hybrids des Detektors KA10 Nach der Pedestal und der Common Mode Korrektur verbleibt nur die zeitliche Schwankung der einzelnen Kan le um die Grundlinie Dieses Rauschen wird wie folgt berechnet nat PH i NMAX NOI i 64 KAPITEL 5 DIE AUSLESESOFTWARE mit PH i ADC i PED i COM c 5 4 m Ti cy 804
107. ysics Springer Verlag 1973 1 Aufl H Stocker Taschenbuch der Physik Verlag Harri Deutsch 1994 ISBN 3 8171 1358 7 S Sze Physics of Semiconductor Devices John Wiley and Sons 1981 ISBN 981 02 2387 0 Literaturverzeichnis 97 Wun92 R Wunstorf Systematische Untersuchungen zur Strahlenresi stenz von Silizium Detektoren f r die Verwendung von Hochenergie Experimenten Deutsches Elektron Synchrotron DESY 1992 DE SY FH1K 92 01 Danksagung Besonders m chte ich Herrn Prof Dr Wim de Boer f r die interessante Auf gabenstellung und die fachliche Unterst tzung danken Durch die Arbeit im IEKP er ffnete er mir die M glichkeit ein besonders breites Gebiet der Physik kennenzulernen Herrn Prof Dr Thomas M ller danke ich f r die bernahme des Korreferats Meinen beiden Betreuern Dr Stephan Heising und Dr Frank Hartmann danke ich f r die Einf hrung in die Gebiete der Lorentzwinkelmessungen und der Evaluierung von Siliziumstreifendetektoren F r das angenehme Arbeitsklima und die gute Zusammenarbeit danke ich unse rer Arbeitsgruppe Dr Eugene Grigoriev Dr Reino Ker nen Dipl Phys Frank R derer Dipl Phys Levin Jungermann Johannes Bol Oliver Herz Michael Koppenh fer und Dipl Phys Alexander Dierlamm Ein besonderer Dank gilt Dr Theo Schneider und seinen Mitarbeitern des ITP f r die Bereitstellung des Jumbo Kryostaten Frau Dr Iris Abt vom MPI M nchen danke ich f r die zur Verf gung gestell

Lorentzwinkelmessungen an bestrahlten Silizium

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