Halbleiterdetektoren Halbleiterdetektoren

Halbleiterdetektoren

Halbleiterdetektoren

Inhalt Inhalt

 Mögliche Funktionsweise Mögliche Funktionsweise

 Vergleich mit anderen Detektoren Vergleich mit anderen Detektoren

 Struktur von Halbleitern Struktur von Halbleitern

 Reeller Aufbau Reeller Aufbau

Wie wird detektiert?

Wie wird detektiert?

Gas vs. Festkörper Gas vs. Festkörper

 Bethe-Bloch Beziehung Bethe-Bloch Beziehung

 



 





 

     





 



 

 2 ² ln 1 ² ²

² ln 4 ²

4  

 I

v m v

m e N z

dx

dE _e

e

T Nk PV  _b

 Idealen Gasgleichung

 Für einen cm³ folgen 2,4*10 ²⁰ Teilchen

 Atomvolumen von Si 12,1cm³/mol

 Für einen cm³ folgen 5,0*10 ²²

Gas vs. Festkörper Gas vs. Festkörper

 Argon Z=18 Argon Z=18

 Si Z=14 Si Z=14

 Energieverlust 2*10² größer im Festkörper Energieverlust 2*10² größer im Festkörper

 Nur Anregung von Elektronen Nur Anregung von Elektronen

 Si ≈ 3,6 eV Si ≈ 3,6 eV

 Argon ≈ 15,8 eV Argon ≈ 15,8 eV

 9*10² mehr Elektronen im Festkörper 9*10² mehr Elektronen im Festkörper

eV Z

Z

I 



 



 

 9 , 1 1 1 , 9

eV I  210

eV

I  170

Gas vs. Festkörper Gas vs. Festkörper

 Welche Spannung wirken Welche Spannung wirken

 Gas ohne Verstärkung ca. 10 Gas ohne Verstärkung ca. 10 ^{7 7} V/mm V/mm

 Gas mit Verstärkung über 10 Gas mit Verstärkung über 10 ^{9 9} V/mm V/mm

 Festkörper ca. 10 Festkörper ca. 10 ^{2 2} V/mm V/mm

Gas vs. Festkörper Gas vs. Festkörper

 Schwierigkeiten bei Gas: Schwierigkeiten bei Gas:

 Verformung der Drehte Verformung der Drehte

 Extrem hohe Feldstärken Extrem hohe Feldstärken

 Ungenaue Ordsauflösung Ungenaue Ordsauflösung

 Schlechter dE/dx Term Schlechter dE/dx Term

 Vorteile: _Vorteile:

 Leicht austauschbares Medium Leicht austauschbares Medium

 Geringere Kosten Geringere Kosten

Gas vs. Festkörper Gas vs. Festkörper

 Schwierigkeiten im Festkörper Schwierigkeiten im Festkörper

 Hohe reinheitsgrade zu erzeugen Hohe reinheitsgrade zu erzeugen

 Teure Materialien Teure Materialien

 Vorteile: Vorteile:

 Extrem hohe Auflösung Extrem hohe Auflösung

 Viele Elektronen pro Teilchen Viele Elektronen pro Teilchen

 Integration der Auslesetechnik möglich Integration der Auslesetechnik möglich

 Kurze Messzeiten 10ns Kurze Messzeiten 10ns

Was für Festkörper?

Was für Festkörper?

Metalle/Halbleiter/Isolatoren?

Metalle/Halbleiter/Isolatoren?

 Pauliprinzip Pauliprinzip

 Grund für Energieniveaus Grund für Energieniveaus

 Diskrete Energieniveaus Diskrete Energieniveaus

 

 





 

 







 







 











 n j n

E Z E _{n j n}

4 3 2

1 1

² 1 ²

,



Metalle/Halbleiter/Isolatoren?

Metalle/Halbleiter/Isolatoren?

• Schematische Darstellung der Bänder

Energielücke

Metalle/Halbleiter/Isolatoren?

Metalle/Halbleiter/Isolatoren?

 Fermi-Dirac Verteilung Fermi-Dirac Verteilung

T K

E T E

E

B F

e

F _



 1

1

)

,

(

Fermi-Niveau Fermi-Niveau

 



E c

E

E F dE

N

n _{( )} * _{( )}

c e

E E E

h

N  ₃ m ² 

3 )

(

2 8 

T K

E T E

E

B F

e

F _



 1

1

) , (

 

  E _F  E _C

 

  

 ^{K T}

E

E _{V F}

Fermi-Niveau Fermi-Niveau

 Intrinsischer Halbleiter Intrinsischer Halbleiter

Fermi-Niveau

Fermi-Niveau

Fermi-Niveau Fermi-Niveau

N - Dotierung

Fermi-Niveau

Fermi-Niveau

Halbleiterdetektor Halbleiterdetektor

 Erkenntnis! Erkenntnis!

 Detektor muss Halbleiter sein Detektor muss Halbleiter sein

 Prinzipieller Aufbau bis jetzt Prinzipieller Aufbau bis jetzt Halbleiter

Kathode

Anode

Reeller Halbleiterdetektor Reeller Halbleiterdetektor

 Schwierigkeiten: Schwierigkeiten:

 Bei T > 0 Bei T > 0

 Existenz eines Dunkelstroms Existenz eines Dunkelstroms

 Lösung: _Lösung:

 p/n Übergang p/n Übergang

p/n -Übergang p/n -Übergang

-x

x

p/n -Übergang

p/n -Übergang

p/n -Übergang

p/n -Übergang

Silizium-Streifen-Detektoren

Pixel-Detektoren

5,4m

2,4m

206m²

CMS 2007

Weitere Aspekte von Halbeitern Weitere Aspekte von Halbeitern

 Lebensdauer Lebensdauer

 Degradation Degradation

 Produktion Produktion

 Vergleich mit Solarzelle Vergleich mit Solarzelle

ENDE!

ENDE!