Der Einfluss von ionisierender Strahlung auf das Random Telegraph Signal bei Monolithic Active Pixel Sensors
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Johann Wolfgang Goethe Universität
Frankfurt am Main
Der Einfluss von ionisierender
Strahlung auf das Random Telegraph
Signal bei Monolithic Active Pixel
Sensors
Bachelorarbeit
im Studiengang Physik
am Institut für Kernphysik
Betreuer
Prof. Dr. Joachim Stroth
vorgelegt von
Melissa Domachowski
Frankfurt am Main, den 23. November 2009
Inhalt
1 Einleitung 5
2 Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) 7
2.1 Aufbau und Funktionsweise des Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Funktionsprinzip des Pixelvorverstärkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 3T- und SB-Pixel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Signalrekonstruktion-Correlated Double Sampling (CDS) . . . . . . . . . 11
2.4 Die Mimosa Chips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3 Strahlenschäden 15
3.1 Strahlenschäden durch nicht-ionisierende Strahlung . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Strahlenschäden durch ionisierende Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . 16
4 Random Telegraph Signal (RTS) 19
5 Aufgabenstellung und Messung 23
5.1 Messaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5.2 Durchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
6 Resultate 27
6.1 Resultate für Mimosa 19 (3T-Pixel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
6.2 Resultate für Mimosa 18 (SB-Pixel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6.3 Schlussfolgerung und Deutung der Messergebnisse . . . . . . . . . . . . 32
7 Anhang 33
3
INHALT
Kapitel 1
Einleitung
Das Compressed Baryonic Matter Experiment (CBM) (Aufbau siehe Abbildung 1.1) an
der FAIR-Beschleunigeranlage der GSI1 in Darmstadt beschäftigt sich mit der Erforschung
der Eigenschaften von Hadronen bei sehr hohen Kernmateriedichten, wie sie in hochener-
getischen Schwerionenstößen vorkommen.
Die im Rahmen dieser Bachelorarbeit untersuchten Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS)
sind Teil des Detektorsystems, welches zur Spurrekonstruktion bei dem CBM-Experiment
zum Einsatz kommt. Da diese Art von Sensoren sowohl über eine dafür erforderliche ge-
eignete Ortsauflösung als auch eine gute Strahlenhärte verfügen, scheinen sie als für das
Experiment besonders prädestiniert. Welche Auswirkungen jedoch die erwarteten jährli-
neq
chen Strahlendosen von etwa DJahr = 3 MRad an ionisierender und DJahr = 1 · 1013 cm 2
an nicht-ionisierender Strahlung auf die Sensoren nehmen, ist derzeit noch nicht detailliert
erforscht.
Ein bereits bekannter Strahlenschaden an MAPS, welcher der Literatur [8] zufolge durch
Kristalldefekte hervorgerufen wird, ist das Random Telegraph Signal (RTS). RTS verur-
sacht zeitliche Fluktuation im Leckstrom, die irrtümlich als Ladungseintrag eines Teil-
chens gedeutet werden können. Die daraus resultierende übermäßige Produktion an Fehl-
einträgen wiederum kann zu einer Überladung des Datenerfassungssystems (DAQ2 ) des
Detektors führen, wodurch Spurrekonstruktionen erschwert oder sogar unmöglich werden.
Ziel dieser Bachelorarbeit ist es, ein genaueres Verständnis für den Strahlenschaden RTS
bei MAPS zu erhalten. Speziell soll dabei auf die Auswirkungen ionisierender Strahlung
eingegangen werden.
1
Gesellschaft für Schwerionenforschung
2
data acquisition
5KAPITEL 1. EINLEITUNG Abbildung 1.1: Aufbau des CBM-Experiments mit HADES-Aufbau im Vordergrund. Aus [3].
Kapitel 2
Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS)
Monolithic Active Pixel Sensors sind Silizium-Halbleiter-Detektoren, welche im soge-
nannten CMOS-Verfahren1 hergestellt werden und unter anderem zur Detektion von gela-
denen Teilchen dienen.
2.1 Aufbau und Funktionsweise des Sensors
Ein MAPS-Pixel besteht im Wesentlichen aus drei unterschiedlich p-dotierten Schichten,
dem Substrat (≈ 1019 cm1 3 ), dem Epitaxial Layer (≈ 1015 cm1 3 ) und dem P-Well, sowie einer
darin eingebetteten n-dotierten Diode (siehe Abbildung 2.1). Die unterschiedlich starke p-
Dotierung führt zu Potentialunterschieden im Leitungsband des Siliziums an den Rändern
der Schichten, welche durch
kB T NSubstrat
∆V = ln (2.1)
q NEpitaxial
gegeben sind [1].
Fliegt ein minimal ionisierendes Teilchen, wie in Abbildung 2.2 illustriert, durch den
Sensor, so produziert es entlang seines Weges Elektron-Loch-Paare. Aufgrund der un-
terschiedlich starken Dotierung der Schichten und dem daraus resultierenden Potential-
unterschieden fungieren das P-Well und das Substrat als reflektierende Hindernisse für
freie Elektronen, sodass diese innerhalb des Epitaxial Layers umherdiffundieren. Verlas-
sen können die freien Elektronen diesen lediglich über die Diode, sofern sie deren Ver-
armungszone erreichen, bevor sie rekombinieren. Dort angekommen werden sie als La-
dungseintrag an einen im Pixel integrierten Vorverstärker weitergeleitet und können somit
registriert werden.
1
Complementary Metal Oxid Semiconductor
7KAPITEL 2. MONOLITHIC ACTIVE PIXEL SENSORS (MAPS) Abbildung 2.1: Aufbau eines MAPS-Pixels. Oben: Profil eines Pixels mit seinen unterschiedlich stark p-dotierten Schichten und der n-dotierten Einfangdiode. Unten: Darstellung des Potential- verlaufs im Leitungsband des Siliziums. Abbildung 2.2: Ionisierendes Teilchen produziert entlang seines Weges durch den Sensor Elektron- Loch-Paare. Freie Elektronen können den Epitaxial Layer nur über die Diode verlassen. Aus [2].
2 2.2. FUNKTIONSPRINZIP DES PIXELVORVERSTÄRKERS
2.2 Funktionsprinzip des Pixelvorverstärkers
Abbildung 2.3: Schaltplan eines 3T-Pixels (links) mit Resettransistor M1 und eines SB-Pixels
(rechts) mit Nachladediode DBias .
Wie in Abbildung 2.3 ersichtlich, besteht ein Pixelvorverstärker im Grundaufbau aus einer
Einfangdiode DColl und einem daran gekoppelten Kondensator CP arasitic .
Zu Beginn einer jeden Messung ist die (parasitäre) Kapazitiät der Einfangdiode positiv
geladen, weshalb es zu der Entstehung eines Potentials U1 zwischen dem Knotenpunkt K
und der Erdung kommt.
Erreicht nun ein Teilchen die Einfangdiode, so entlädt sich der Kondensator aufgrund des
zusätzlichen Ladungseintrags QCol sprunghaft. Desweiteren hat dieser Ladungseintrag die
Ausbildung einer zusätzlichen Spannung UCol zur Folge, weshalb sich nun ein resultieren-
des Potential U2 am Knotenpunkt K ergibt, das sich aus der Summe der Potentiale U1 und
UCol zusammensetzt:
U2 = U1 + UCol (2.2)
Das Spannungssignal U2 gelangt dann über die Transistoren M2 und M3 , sowie die Strom-
quelle MCurr , welche zusammen mit M2 einen Quellfolger bildet, zu dessen Ausgang und
kann schließlich ausgelesen werden.
Die Auslese der Pixel, welche in Form einer rechteckigen Pixelmatrix angeordnet sind,
wird durch Schiebe-Register gesteuert, wie sie in Abbildung 2.4 zu sehen sind.
Dabei öffnet eines der Register den M3 -Transistor aller Pixel einer Reihe und verbindet
diese mit den Daten, welche direkt zu dem zentralen Verstärker führen, während das an-
dere Register den jeweiligen MCol -Schalter öffnet, um die entsprechenden Daten mit dem
Ausgang zu verbinden. Auf diese Weise adressieren die Register alle Pixel der Matrix und
ermöglichen somit die Auslese von genau einem dieser Pixel pro Takt.[3]
9KAPITEL 2. MONOLITHIC ACTIVE PIXEL SENSORS (MAPS)
Abbildung 2.4: Auslese der Pixel unter Verwendung eines x,y-Schiebe-Registers. Die Register
(Col_Sel Shift Register und Row_Sel Shift Register) addressieren je eine Zeile und eine Spalte
aller Pixel (hier durch Quadrate dargestellt) der Matrix, wobei sie pro Takt genau eines dieser
Pixel für die Ausleseelektronik freigeben.
2.2.1 3T- und SB-Pixel
Ein geeigneter Pixelvorverstärker muss neben den oben beschriebenen Funktion auch die
Fähigkeit besitzen, von der Diode eingefangene thermisch angeregte Elektronen, welche
zu einer kontinuierlichen Entladung des Kondensators führen, zu kompensieren, da eine
exakte Teilchendetektion nur unter der Bedingung einer hinreichend geladenen Diodenka-
pazität möglich ist. Diese angeregten Elektronen wiederum erzeugen einen Leckstrom.
Der Leckstromausgleich kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, wobei im Folgenden
speziell auf die für diese Arbeit relevanten, sogenannten 3T2 - und SB3 -Pixel eingegangen
werden soll. Abbildung 2.3 veranschaulicht den Aufbau dieser zwei Pixelarten.
3T-Pixel kompensieren den von der Einfangdiode ausgehenden Leckstrom und den Ab-
fall der Diodenkapazität aufgrund eines registrierten Ladungseintrags mit Hilfe eines Re-
settransistor M1 , dessen Schalter in regelmäßigen Abständen geöffnet und somit eine
Nachladung des Kondensators ermöglicht wird.
Während dieses Nachladevorgangs und der nachfolgend notwendigen Referenzmessung
der Ladung im Pixeldetektor, verlieren die Pixel jedoch ihre Sensitivität, d.h. sie sind wäh-
rend dieses Prozesses nicht mehr in der Lage, ankommende Teilchen zu registrieren, so-
dass deren Signal praktisch unentdeckt bleibt. Hierdurch entsteht eine Totzeit von über
50% [3].
SB-Pixel hingegen verfügen über eine Nachladediode DBias , welche fortwährend einen
Strom zur Einfangdiode sendet. Sofern kein Teilchen registriert wird ist dieser gerade so
2
3 Transistoren
3
Self Bias2 2.3. SIGNALREKONSTRUKTION-CORRELATED DOUBLE SAMPLING (CDS)
groß, dass er den Leckstrom kompensiert: IBias (t) = ILeck (t)
Erreicht nun ein Teilchen die Einfangdiode, so kommt es, wie bereits erwähnt zu einem
Potentialabfall UCol . Die Nachladediode reagiert darauf, indem sie den Ladestrom zur Di-
ode DColl erhöht. Folglich gilt: IBias (t) > ILeck (t)
Die Differenz aus dem Kompensationsstrom IBias (t) und dem Leckstrom ILeck (t) ergibt
dann den effektiven Nachladestrom IEf f , welcher durch die Exponentialfunktion
t − tHit
IEf f (t) = A0 · exp − (2.3)
τ
beschrieben werden kann [3]. Hierbei ist τ die Nachladekonstante, A0 eine Normalisie-
rungskonstante und tHit der Zeitpunkt zum Eintreffen des Teilchens.
Entscheidend für die Effektivität der SB-Pixel ist vor allem die Größe der Nachladekon-
stante τ . Ist diese zu klein, so wird ein Großteil eines von einem Teilchen generierten
Signals von der Nachladediode ausgelöscht, bevor es ausgelesen werden kann.
SB-Pixel haben aufgrund des kontinuierlichen Ausgleich des Leckstroms gegenüber 3T-
Pixeln den Vorteil, dass eine kontiniuierliche Auslese und somit ein Betrieb des Detektor
ohne Totzeit möglich ist.
2.3 Signalrekonstruktion-Correlated Double Sampling (CDS)
Abbildung 2.5: Signalrekonstruktion bei 3T-Pixeln (links) und bei SB-Pixeln (rechts). Zu sehen ist
der Verlauf des Potentials UOut (t) zu verschiedenen Zeitpunkten. Aus [2].
Zur Rekonstruktion der Signale wird sich des Correlated Double Samplings, kurz CDS,
bedient, wie es in Abbildung 2.5 illustriert wird. Hierbei wird die Diodenspannung zu zwei
verschiedenen Zeitpunkten gemessen und anschließend voneinander subtrahiert [4]:
CDS = ∆UOut = UOut (t1 ) − UOut (t2 ) (2.4)
In diesem Zusammenhang spricht man auch von einer Messung in einem 2 Frame Modus.
Dies bedeutet, dass die Spannung innerhalb eines Frames in zwei Punkten F0 und F1 ge-
messen wird.
11KAPITEL 2. MONOLITHIC ACTIVE PIXEL SENSORS (MAPS)
In Abbildung 2.5 (links) wird das Ausgangsspannungssignal UOut eines 3T-Pixels veran-
schaulicht.
Die Spannungsmessung erfolgt in den Punkten 1 für F0 und 2 für F1, d.h. nach vollstän-
diger Aufladung der Diodenkapazität und nach einem, durch den Leckstrom hervorgeru-
fenen Spannungsabfall, während der Resettransistor geschlossen ist.
Nach Beendigung der zweiten Messung beginnt der Nachladevorgang des Diodenkonden-
sators. Der Resettransistor wird geöffnet und das Potential erreicht seinen Ausgangswert.
Erreicht ein Teilchen die Einfangdiode des Pixels, so kommt es zu einem zusätzlichen
Ladungseintrag QP hy , der wiederum zu einem sprunghaften und erhöhten Abfall des Po-
tentials führt. Dementsprechend erhöht sich die Spannungsdifferenz ∆UOut in den Mess-
punkten 1 und 2.
Überschreitet das sich durch den zusätzlichen Ladungseintrag ergebende Signal die An-
sprechschwelle des Detektors, so wird das Teilchen detektiert und als Treffer, Hit, rege-
striert.
Abbildung 2.5 (rechts) veranschaulicht die Signalrekonstruktion eines SB-Pixels. Zu se-
hen sind mehrere aufeinanderfolgende Messungen (blau dargestellt). Tatsächlich findet bei
der Signalrekonstruktion eines SB-Pixels die Spannungsmessung ebenfalls in zwei aufein-
anderfolgenden Messpunkten statt, deren Differenz ∆UOut ergibt.
Auch hier befindet sich das Pixel zunächst in seinem Ausgangszustand, in welchem der
Kondensator geladen ist. Da das SB-Pixel über eine Nachladediode verfügt, welche den
durch den Leckstrom verursachten Spannungsabfall kontinuierlich ausgleicht, befindet
sich das Potential auf einem konstanten Wert. Die Spannungsdifferenz ∆UOut ist folg-
lich Null.
Wird nun ein Teilchen detektiert, so folgt aufgrund des zusätzlichen Ladungseintrags QP hy
ein plötzlicher Spannungsabfall und es ergibt sich eine von Null verschiedene Spannungs-
differenz: ∆UOut > 0. Liegt diese über der Ansprechschwelle des Detektors, so wird ein
Treffer regestriert.
Im Anschluss daran folgt der Nachladevorgang, welcher eine Spannungsdifferenz ∆UOut <
0 bewirkt.
2.4 Die Mimosa Chips
Als Mimosa4 -Chips bezeichnet man die MAPS-Prototypen, die am IPHC5 in Straßburg
entwickelt werden. Im Folgenden soll auf die Prototypen Mimosa 18 und Mimosa 19 ein-
gegangen werden, die bei dieser Arbeit zum Einsatz kamen.
Mimosa 18-Chips wurden speziell für eine hohe Tracking-Auflösung konzipiert und um-
fassen vier Matrizen, bestehend aus 256 × 256 SB-Pixeln mit einem Pixelpitch von 10 µm.
Die Dicke des Epitaxial Layers beträgt 14 µm und bietet somit eine optimale Weiterga-
be von Ladungssignalen, welche von minimal ionisierenden Teilchen herrühren [5]. Die
4
Minimum Ionizing Particle MOS Active Pixel Sensor
5
Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien2 2.4. DIE MIMOSA CHIPS
Oberfläche der Dioden besitzt eine Abmessung von 4, 3 × 3, 4 µm.
Mimosa 19-Chips bestehen im Gegensatz zu Mimosa 18-Chips aus lediglich zwei Matri-
zen mit 192 × 192 3T-Pixeln mit einem Pixelpitch von 12 µm. Dieser Typ Mimosa-Chip
zeichnet sich vor allem durch das L- bzw. stufenförmige Design seiner Dioden aus. Dieses
verhindert weitgehend, dass Elektronen in benachbarte Pixel diffundieren können, sodass
eine Ladungsausbreitung unterdrückt wird.
Abbildung 2.6: Schematische Darstellung der Dioden eines Mimosa 18-Chips. Aufgrund der weit-
läufigen Diodenanordnung wird eine Diffusion von Elektronen in benachbarte Pixel begünstigt.
Abbildung 2.7: Schematische Darstellung der Dioden eines Mimosa 19-Chips. Die L- bzw. stufen-
förmige Anordnung der Dioden unterdrückt weitgehend eine Diffusion von Elektronen in benach-
barte Pixel.
13KAPITEL 2. MONOLITHIC ACTIVE PIXEL SENSORS (MAPS)
Kapitel 3
Strahlenschäden
Durch Strahlung induzierte Effekte (Strahlenschäden) können im Falle von Silizium in
zwei Kategorien unterteilt werden:
Schäden aufgrund Verschiebungen von Kristallatomen, bedingt durch die Wechselwirkung
mit nicht-ionisierender Strahlung, bezeichnet man als Volumenschäden (Bulk Damages).
Die Wechselwirkung mit ionisierender Strahlung hingegen führt zu Schäden an der Ober-
fläche von Kristallen, sodass diese Art von Schaden allgemein als Oberflächenschaden
(Surface Damage) bezeichnet wird.
3.1 Strahlenschäden durch nicht-ionisierende Strahlung
Volumenschäden werden, wie bereits erwähnt, durch die Wechselwirkung von einfallen-
den Teilchen nicht-ionisierender Strahlung mit den Kernen der Gitteratome verursacht.
Dabei übertragen die einfallenden Teilchen Energie und Impuls auf die Atomkerne, so-
dass diese bei einem hinreichend großen Energieübertrag, im Falle von Silizium ∼ 25 eV,
ihren Platz im Kristallgitter verlassen und Defektstellen generieren können. Da es sich bei
diesem Prozess um einen elastischen Stoß handelt, müssen die Teilchen allerdings eine
weit höhere Energie besitzen, um solch eine Übertragungsenergie aufbringen zu können.
Für Elektronen liegt diese bei etwa 260 keV, bei Protonen und Neutronen aufgrund ihrer
höheren Masse bei vergleichsweise geringen 190 eV.
Gewinnt das herausgeschlagene Siliziumatom während dieses Prozesses genügend Ener-
gie, so kann es weitere Defekte innerhalb des Kristallgitters auslösen. So werden beispiels-
weise ab einem Energieübertrag von 2 keV auf das Atom Clusterdefekte, eine Ansamm-
lung von Defektstellen, gebildet [6].
Die durch die Wechselwirkung mit nicht-ionisierender Strahlung entstehenden Defekt-
stellen sind jedoch nicht fest im Kristall lokalisiert. Sie können innerhalb des Kristalls
wandern, dabei an weitere Defektstellen koppeln oder ausheilen.
Allgemein erzeugen Defektstellen Energieniveaus in der Bandlücke des Siliziums, die als
Rekombinations- und Generationszentren fungieren, wie in Abbildung 3.1 veranschau-
licht. Demzufolge können Elektronen mit Hilfe der zusätzlichen Energieniveaus leichter
vom Valenzband in das Leitungsband angeregt werden, weshalb der Leckstrom und das
15KAPITEL 3. STRAHLENSCHÄDEN Rauschen zunehmen. Gleichzeitig wird aber auch die Rekombination angeregter Ladungs- träger wahrscheinlicher, wodurch die Signalstärke abnimmt. Abbildung 3.1: Generationszentrum (links) und Rekombinationszentrum (rechts). Zusätzliche, durch Defektstellen generierte Energieniveaus innerhalb der Bandlücke erleichtern die Anregung von Elektronen aus dem Valenzband ins Leitungsband des Siliziums. Simultan dazu erhöht sich auch die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination angeregter Ladungsträger. 3.2 Strahlenschäden durch ionisierende Strahlung Auch die Oberfläche von Halbleitern reagiert sensitiv auf Strahlung. Als Öberflächenscha- den bezeichnet man jede Art von Schaden, welcher an der Oberfläche lokalisiert ist. Im speziellen Fall von MAPS entspricht dies der Verbindung zwischen Silizium und Silizi- umdioxid, welches in den Chips als Isolator genutzt wird. Verursacht wird diese Art von Schaden durch ionisierende Strahlung, welche Energie an Elektronen im Valenzband des Siliziumdioxids abgibt, sodass diese die Bandlücke über- winden und in das Leitungsband übergehen können. Für die Elektronen ist es jedoch ener- getisch günstiger, in das Leitungsband des benachbarten Siliziums überzugehen. Daher verlassen sie das Siliziumdioxid und lassen dort positiv geladene Ionen zurück, weshalb sich der Isolator positiv auflädt. Die Elektronen selbst rekombinieren mit den Löchern des Siliziums (Abbildung 3.2). Die Löcher im Leitungsband des Siliziumdioxids hingegen dif- fundieren an dessen Grenzschicht, wo sie von vorhandenen Defektstellen eingefangen und fixiert werden. Folglich kommt es zu einer positiven Ladungsansammlung an der Grenz- schicht zwischen Silizium und Siliziumdioxid, weshalb sich ein elektrisches Feld aufbaut, welches die Energie der Bänder im Silizium ändert. Desweiteren können ionisierende Teil- chen Bindungen an der Silizium-Siliziumdioxid-Oberfläche zerbrechen. Zurück bleiben Defekte in der Bandlücke. Infolgedessen kommt es durch die Bestrahlung des Halbleiter- sensors zu einem erhöhten Leckstrom [7, 4].
3 3.2. STRAHLENSCHÄDEN DURCH IONISIERENDE STRAHLUNG
Abbildung 3.2: Anregung von Elektronen durch ionisierende Strahlung. Elektronen im Valenzband
des SiO2 werden durch ionisierende Strahlung in das Leitungsband angeregt. Von dort aus diffun-
dieren sie in das Leitungsband des benachbarten Si und rekombinieren anschließend mit dessen
Löchern aus dem Valenzband. Im SiO2 bleiben positiv geladene Ionen zurück.
17KAPITEL 3. STRAHLENSCHÄDEN
Kapitel 4
Random Telegraph Signal (RTS)
Verschiedene Studien [2, 3, 8, 9] über das Verhalten von Einfangdioden zeigten, dass eini-
ge Pixel zeitliche Fluktuationen im Leckstrom aufweisen.
Man beobachtete einen zwischen zwei oder mehreren Niveaus alternierenden Leckstrom,
wie in Abbildung 4.1 dargestellt. Dieses Phänomen wird als Random Telegraph Signal
(RTS) bezeichnet, welches der Literatur [8] zufolge durch Kristalldefekte hervorgerufen
werden könnte. Die mit RTS assoziierten Sprünge im Leckstrom können leicht mit La-
dungseinträgen von Teilchen verwechselt werden, was wiederum ein vermehrtes Aufkom-
men an Fehltreffern, Fakehits1 genannt, verursacht.
Abbildung 4.1: Signatur eines Pixels mit RTS (schwarz) im Vergleich zu einem Pixel, das kei-
ne RTS-Signatur aufweist (rot). Die RTS-Signatur zeigt dabei eine deutliche Modulation des
Leckstroms zwischen zwei Niveaus. Springt das Signal über die Ansprechschwelle (Threshold) des
Detektors, so wird ein Treffer gefunden. [2]
Betrachtet man das Ausgangsspannungssignal UOut eines 3T-Pixels mit Hilfe des CDS,
so zeigt sich die Anwesenheit von RTS in Form eines zusätzlichen, über mehrere Frames
hinweg konstanten Ladungseintrags QRT S , wie in Abbildung 4.2 zu sehen.
1
Als Fakehit wird allgemein jede Art von Treffer bezeichnet, der ohne Anwesenheit einer Quelle ausge-
löst wird.
19KAPITEL 4. RANDOM TELEGRAPH SIGNAL (RTS) Überschreitet das Signal nun aufgrund dieses zusätzlichen Ladungseintrags eine vorher definierte Schwelle (Threshold), so wird RTS irrtümlich als Ladungseintrag eines Teil- chens (Hit) interpretiert. Dies wiederum führt zu einer erhöhten Anzahl an Fakehits. Abbildung 4.2: Signalrekonstruktion eines 3T-Pixels mit RTS. Die Anwesenheit von RTS wird da- bei in einen zusätzlichen Ladungseintrag QRT S sichtbar, welcher über mehrere Frames hinweg konstant ist. Überschreitet das CDS-Signal aufgrund von QRT S die definierte Schwelle, so wird RTS als Ladungseintrag eines Teilchens fehlinterpretiert. Abbildung 4.3 zeigt die Signalrekonstruktion eines SB-Pixels, welches RTS aufweist. Kommt es aufgrund der Anwesenheit von RTS zu einem sprunghaften Anstieg des Leckstroms ILeck , so versucht die Nachladediode des Pixels dies umgehend auszugleichen, indem sie den Kompensationsstrom IBias erhöht. Erreicht der Leckstrom schließlich einen konstan- ten Wert, nimmt auch IBias diesen entsprechend an. Springt ILeck anschließend wieder auf seinen Ausgangswert zurück, so stellt sich folglich auch der Kompensationsstrom auf das neue Gleichgewicht ein. Da sich das CDS-Spannungssignal UCDS bei SB-Pixeln aus der Differenz zweier aufein- anderfolgenden Spannungsmesspunkten ergibt, wird der springende Leckstrom ILeck und somit RTS demnach in UCDS nur sichtbar, wenn sich ein neues Gleichgewicht in den un- terschiedlichen Niveaus einstellt. Auch hier gilt: Überschreitet das Ausgangsspannungssignal die vorher definierte Schwel- le, so wird RTS fälschlicherweise als Ladungseintrag eines Teilchens gedeutet und führt zu einer Produktion von Fakehits.
4
Abbildung 4.3: Signalrekonstruktion eines SB-Pixels mit RTS. Die Spannung UBias und der Kom-
pensationsstroms IBias der Nachladediode passen sich dem durch RTS verursachten sprunghaften
Anstieg und Abfall des Leckstroms ILeck an. In UCDS wird RTS jedoch nur sichtbar, wenn der
Leckstrom konstante Werte in den unterschiedlichen Niveaus annimmt.
21KAPITEL 4. RANDOM TELEGRAPH SIGNAL (RTS)
Kapitel 5
Aufgabenstellung und Messung
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Verhalten von mit ionisierender und kombinierter io-
nisierender und nicht-ionisierender Strahlung bestrahlten MAPS-Chips bezüglich RTS bei
verschiedenen Temperaturen untersucht. Dazu wurden je zwei Mimosa 18- und Mimosa
19-Chips, von denen jeweils einer zuvor unbestrahlt und einer neutronenbestrahlt war, so-
wohl vor als auch nach der Bestrahlung der Chips mit Röntgenstrahlung in Hinblick auf
RTS untersucht und die Ergebnisse verglichen.
neq
Die Bestrahlung der Chips mit Neutronen mit einer Dosis von 1, 3 · 1013 cm 2 wurde mit-
1
tels der Strahlrohr-Konverteranlage MEDAPP des FRM-II der Technischen Universität
München vorgenommen. Die anschließende Bestrahlung mit Röntgenstrahlung einer Do-
sis von 200 kRad wiederum, wurde am Institut für experimentelle Kernphysik der Univer-
sität Karlsruhe durchgeführt.
5.1 Messaufbau
Abbildung 5.1: Aufbau der zur MAPS-Auslese verwendeten Apparatur.
Der Aufbau des verwendeten MAPS-Auslesesystems, wie in Abbildung 5.1 dargestellt,
besteht im Wesentlichen aus vier Komponenten. Das Device-Testboard dient zur Fixie-
rung des Chips. Zudem arbeitet es die von den Chips ausgehenden Signale auf und leitet
diese über Verstärker an das Auxiliary-Board weiter. Desweiteren ist das Device-Board mit
1
Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz
23KAPITEL 5. AUFGABENSTELLUNG UND MESSUNG einem Kühlsystem verbunden, welches Messungen bei verschiedenen Chiptemperaturen ermöglicht. Das Auxiliary-Board dient zur Vorverstärkung, während das Imager-Board da- zu bestimmt ist, analoge in digitale Signale umzuwandel und diese zu verarbeiten. Darüber hinaus übernimmt es die Steuerung des Chips, wie zum Beispiel Auslesegeschwindigkeit und -modus. Die gewonnenen Daten werden letztlich zu einem Standard-PC weitergelei- tet, wo sie schließlich zur weiteren Auswertung zur Verfügung stehen. Eine sich während der Messungen darstellende Problematik lag in der Effizienz des Kühl- systems. Eine seperate Überprüfung der Temperatur am Device Testboard ohne Chip zeig- te, dass das System nicht die gewünschte bzw. an der Temperaturanzeige des Systems angegebene Temperatur erreichte. So konnten bei einer Einstellung der Kühlung auf ei- ne Temperatur von T=-40◦ C tatsächlich lediglich T=-28◦ C erreicht werden. Aus diesem Grund sei darauf verwiesen, dass die Temperaturskalen bei der Darstellung der Messer- gebnisse in Kapitel 6 nicht geeicht wurden. Desweiteren stellte sich heraus, dass das Kühlsystem für eine Kühlung im tiefen Tempe- raturbereich unterhalb von T=-10◦ C bedeutend mehr Zeit benötigt als für eine Kühlung im Temperaturbereich oberhalb von T=-10◦ C. Da die Messungen stets 20 Minuten, nach- dem die Anzeige des Systems die eingestellte Temperatur anzeigte, durchgeführt wurden, ist daher davon auszugehen, dass sich der Chip im tiefen Temperaturbereich unterhalb von T=-10◦ C bei Start der Auslese noch nicht bei einer konstanten Temperatur befand, sondern diese noch während der Messungen änderte. Dies erzeugt eine langsame Abweichung im Dunkelsignal der Pixel, die im Rahmen der Datenauswertung jedoch weitgehend kompen- siert wurde. Der beobachtete Temperaturverlauf in Abhängigkeit der Zeit ist in Abbildung 5.2 zu sehen. Abbildung 5.2: Temperaturmessung am Device Board ohne Chip in Abhängigkeit der Temperatur. Der Bereich für Temperaturen unter T=-10◦ C stellt sich dabei als besonders kritisch heraus.
5 5.2. DURCHFÜHRUNG
5.2 Durchführung
Das Auslesen der Mimosa 18- und Mimosa 19-Chips wurde bei Temperaturen der Kühl-
flüssigkeit zwischen T=-40◦ C und T=+40◦ C in 20◦ C-Schritten durchgeführt. Dabei wur-
den die Signale der MAPS-Chips über 50000 Frames hinweg, was in etwa einer Zeitspanne
von 45 Minuten entspricht, aufgenommen. Die Auslesefrequenz lag bei 10 MHz, wobei
1
10MHZ
gerade der Zeit entspricht, die zum Auslesen eines Pixels benötigt wird. Die Inte-
grationszeit des Mimosa 18-Chips betrug somit 6,6 ms, während die des Mimosa 19-Chips
bei 3,7 ms lag.
Die anschließende Untersuchung der gewonnenen Daten auf RTS-Signaturen erfolgte mit
Hilfe des sogenannten RTS-Scanners. Hierbei handelt es sich um ein Programm, wel-
ches die vorliegende Signatur der Pixel in zwei Schritten gezielt nach RTS-Pixeln sowie
Fakehits abtastet. Dabei wird die Signatur zunächst auf RTS-Pixel hin untersucht. Per De-
finition handelt es sich hierbei um Pixel, deren Signal für mindestens 10 Frames in Folge
über der zuvor festgelegten festen Schwelle von 150 e− liegt und entsprechend mindestens
10 Fakehits hintereinander generiert. Die Schwelle von 150 e− entspricht hierbei 5 σ ei-
nes guten Standardelektronenrauschen [2]. In einem zweiten Schritt sucht das Programm
schließlich nach der Gesamtzahl an Fakehits.
Bei einem 3T-Pixel werden die RTS-typischen Sprünge im CDS-Modus und damit als
Sprünge im Leckstrom nachgewiesen. Bei einem SB-Pixel ist dies jedoch nicht möglich,
da der Leckstrom im Pixel kompensiert wird und somit nicht gemessen werden kann. Der
Nachweis muss daher indirekt durch die Suche nach Sprüngen im absoluten Potential des
Pixels (F0) erfolgen. Hierbei betrachtet man das System aus Einfang- und Ladediode als
Spannungsteiler und macht sich zu nutze, dass der elektrische Widerstand der Ladediode
mit steigendem Strom sinkt. Die anschließende Suche nach Fakehits wiederum wird auch
bei SB-Pixeln im CDS-Modus durchgeführt.
25KAPITEL 5. AUFGABENSTELLUNG UND MESSUNG
Kapitel 6
Resultate
Da ionisierende Strahlung keine Defekte innerhalb eines Kristalls verursacht, ist zu erwar-
ten, dass sich die Anzahl der RTS-Pixel durch eine Bestrahlung der Chips mit ionisierender
Strahlung nicht erhöhen sollte, da RTS nach heutigem Stand durch Kristalldefekte hervor-
gerufen wird.
Im Folgenden werden die Ergebnisse der Untersuchung der MAPS-Chips auf RTS im Zu-
sammenhang mit ionisierender Strahlung dargelegt.
Zu einer ersten Fehlerabschätzung wurden bereits vorliegende vergleichbare Messwer-
te von unbestrahlten und neutronenbestrahlten Mimosa 18- und Momosa 19-Chips von
D.Doering [2] hinzugezogen, die in einem Temperaturbereich von T=-20◦ C bis T=+40◦ C
vorgenommen wurden. Der Bereich zwischen den entsprechenden Messwerten kann folg-
lich als Unsicherheit der Messung angesehen werden kann. Für Messungen, die bei einer
Temperatur der Kühlflüssigkeit von T=-40◦ C vorgenommen wurden, liegen keine Ver-
gleichswerte vor.
6.1 Resultate für Mimosa 19 (3T-Pixel)
Abbildung 6.1 zeigt den prozentualen Anteil der RTS-Pixel an der Gesamtzahl der Pixel
neq
des unbestrahlten, des mit einer Dosis von 1, 3 · 1013 cm 2 bestrahlten (im Folgenden nur
noch als neutronenbestrahlt bezeichnet), des mit einer Dosis von 200 kRad (im Folgenden
neq
nur noch als röntgenbestrahlt) und des kombiniert bestrahlten (1, 3 · 1013 cm2 + 200 kRad)
Mimosa 19- Chips in Abhängigkeit der Temperatur.
Betrachtet man zunächst den unbestrahlten Chip, so zeigt sich, dass dieser erst ab einer
Temperatur von T=20◦ C RTS-Pixel aufweist. Die Anzahl der signifikanten Pixel im Ver-
gleich zu der Gesamtzahl der Pixel steigt hierbei von ∼ 0,01% bei T=20◦ C auf ∼ 0,2% bei
T=40◦ C an. Bei dem neutronenbestrahlten Chip hingegen sind über den gesamten gemes-
senen Temperaturbereich RTS-Pixel nachzuweisen. Dabei nimmt der Anteil dieser von ∼
0,005% bei T=-40◦ C auf ∼ 89% bei T=40◦ C zu, wobei ein erheblicher Anstieg von ∼
0,7% bei T=20◦ C auf ∼ 89% bei T=40◦ C beobachtbar ist. Ein beinahe identisches Bild
zeigt sich bei dem kombiniert bestrahlten Mimosa 19-Chip. Hier steigt die Anzahl der
27KAPITEL 6. RESULTATE
RTS-Pixel in Relation zur Gesamtpixelzahl von ∼ 0,008% bei T=-40◦ C auf ∼ 99% bei
T=40◦ C. Auch bei diesem Chip ist eine deutliche Zunahme der RTS-Pixel von T=20◦ C
mit ∼ 0,7% auf ∼ 99% bei T= 40◦ C zu beobachten. Abbildung 6.1 zeigt desweiteren,
dass der röntgenbestrahlte Chip erst ab einer Temperatur von T=0◦ C signifikante Pixel
aufweist, deren Anteil von ∼ 0,4% bei T=20◦ C auf ∼ 99% bei T=40◦ C ebenfalls rapide
ansteigt.
Abbildung 6.1: Anteil der bei den unterschiedlich bestrahlten Mimosa 19-Chips identifizierten
RTS-Pixel in Relation zu der Gesamtzahl der Pixel in Abhängigkeit der Temperatur.
Abbildung 6.2 veranschaulicht die Fakehitraten1 der untersuchten Mimosa 19-Chips in
Abhängigkeit der Temperatur.
Während die Fakehitraten bei dem unbestrahlten Chip bei einer Temperatur von T=-40◦ C
(∼ 7·10−5 ) und einer Temperatur von T=20◦ C (∼ 2·10−4 ) sehr ähneln, fällt die Fakehitra-
te bei T=0◦ C deutlich auf ∼ 7 · 10−8 zurück. Diese steigt jedoch wieder für Temperaturen
über T=0◦ C an und erreicht bei T= 40◦ C einen Wert von ∼ 2 · 10−4 . Die Fakehitrate des
neutronenbestrahlten Chips hingegen fällt von ∼ 3 · 10−4 bei T=-40◦ C leicht auf ∼ 4 · 10−5
bei T=-20◦ C zurück und steigt anschließend auf ∼ 0,06 bei T=40◦ C. Während der kombi-
niert bestrahlte Mimosa-Chip eine Fakehitrate von ∼ 1 · 10−4 bei T=-40◦ C aufweist, ist bei
dem röntgenbestrahlten Chip bei gleicher Temperatur eine Fakehitrate von ∼ 1, 2 · 10−5 zu
beobachten. Sowohl bei dem kombiniert bestrahlten als auch bei dem röntgenbestrahlten
Chip liegt die Fakehitrate bei einer Temperatur von T=40◦ C bei ∼ 0,07.
Darüber hinaus illustriert Abbildung 6.2 die durch RTS hevorgerufenen Fakehitraten2 .
1 Anzahl der F akehits
F akehitrate = Anzahl der auf genommenen F rames·Gesamtzahl der P ixel pro F rame
2
Unter RTS-bedingten Fakehits werden alle Anzeigen verstanden, die in einem RTS-Pixel über der defi-
nierten Schwelle liegen6 6.1. RESULTATE FÜR MIMOSA 19 (3T-PIXEL)
Diese steigen sowohl bei dem unbestrahlten als auch bei dem neutronenbestrahlten und
röntgenbestrahlten Mimosa 19-Chip kontinuierlich mit der Temperatur. Hierbei zeigt der
röntgenbestrahlte Chip einen besonders deutlichen Anstieg der Fakehitrate von ∼ 5 · 10−6
bei T=0◦ C auf ∼ 0,63 bei T=40◦ C. Die Fakehitrate des kombiniert bestrahlten Chips hin-
gegen steigt zunächst von ∼ 5 · 10−6 bei T=-40◦ C auf ∼ 4 · 10−5 bei T=-20◦ C an, fällt
dann jedoch bei T=0◦ C auf ∼ 2 · 10−5 zurück. Für Temperaturen über T=0◦ C wächst diese
wieder kontinuierlich an und erreicht bei T= 40◦ C schließlich einen Wert von ∼ 0,8.
Abbildung 6.2: Fakehitrate (obere Abbildung) und RTS-bedingte Fakehitrate (untere Abbildung)
der unterschiedlich bestrahlten Mimosa 19-Chips in Abhängigkeit der Temperatur.
29KAPITEL 6. RESULTATE 6.2 Resultate für Mimosa 18 (SB-Pixel) Abbildung 6.3 zeigt den prozentualen Anteil der RTS-Pixel an der Gesamtzahl der Pixel der untersuchten Mimosa 18-Chips in Abhängigkeit der Temperatur. Wie diese veranschaulicht, steigt der Anteil der RTS-Pixel bei dem unbestrahlten Chip zunächst von ∼ 0,1% bei einer Temperatur von T=-40◦ C auf etwa 10% bei T=20◦ C an. Dieser fällt jedoch bei einem Temperaturübergang von T=20◦ C nach T=40◦ C um ∼ 4% zurück. Der neutronenbestrahlte Chip hingegen, findet den maximalen Anteil von ∼ 12% an signifikanten Pixeln bei einer Temperatur von T=-20◦ C. Für Temperaturen oberhalb von T=-20◦ C sinkt dieser auf schließlich ∼ 5% bei T=40◦ C. Betrachtet man den kombiniert bestrahlten Mimosa-Chip, so zeigt sich, dass der durchschnittliche Anteil der RTS-Pixel an der Pixelgesamtzahl im Temperaturbereich von T=-40◦ C bis T=20◦ C etwa 35% beträgt. Bei T=40◦ C nimmt dieser jedoch auf ∼ 18% ab. Der Anteil der erkannten RTS-Pixel des röntgenbestrahlten Chips hingegen, steigt von ∼ 30% bei T=-40◦ C auf ∼ 50% bei T=40◦ C. Abbildung 6.3: Anteil der bei den unterschiedlich bestrahlten Mimosa 18-Chips identifizierten RTS-Pixel in Relation zu der Gesamtzahl der Pixel in Abhängigkeit der Temperatur. Abbildung 6.4 illustriert die Fakehitrate sowie die RTS-bedingte Fakehitrate des unbe- strahlten, des neutronenbestrahlten, des röntgenbestrahlten sowie des kombiniert bestrahl- ten Mimosa 18-Chips. Wie dort zu erkennen, ändert sich die Rate der Fakehits des unbestrahlte Chips für Tem- peraturen zwischen T=-40◦ C und T=0◦ C nur geringfügig. Diese liegt in dem genannten Temperaturbereich durchschnittlich bei 1 · 10−9 . Ab T=0◦ C ist jedoch ein deutlicher An- stieg der Rate zu erkennen. Bei einer Temperatur von T=40◦ C nimmt diese einen Wert von ∼ 3 · 10−6 an. Sowohl der neutronenbestrahlte, der röntgenbestrahlte als auch der kombiniert bestrahlte Chip zeigen eine merkliche Zunahme der Fakehits mit Erhöhung der Temperatur. Wäh-
6 6.2. RESULTATE FÜR MIMOSA 18 (SB-PIXEL)
rend die Fakehitrate des neutronenbestrahlten Chips von ∼ 3 · 10−10 bei T=-40◦ C auf ∼
0,004 bei T=40◦ C steigt, erhöht sie sich für den röntgenbestrahlten sowie den kombiniert
bestrahlten Mimosa-Chip beinahe identisch von ∼ 5 · 10−8 bei T=-40◦ C auf ∼ 0,02 bei
T=40◦ C.
Nahezu äquivalente Werte ergeben sich bei der Untersuchung der Chips auf die durch RTS
generierten Fakehitraten.
Abbildung 6.4: Fakehitrate (obere Abbildung) und RTS-bedingte Fakehitrate (untere Abbildung)
der unterschiedlich bestrahlten Mimosa 18-Chips in Abhängigkeit der Temperatur.
31KAPITEL 6. RESULTATE 6.3 Schlussfolgerung und Deutung der Messergebnisse Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen eindeutig, dass der Anteil der RTS-Pixel an der Ge- samtzahl der Pixel bei den verwendeten Mimosa 19-Chips, unabhängig von der Art der Bestrahlung, mit der Temperatur wächst. Bei unbestrahlten Chips konnte RTS erst ab einer Temperatur oberhalb von T=20◦ C beobachtet werden, während dies bei röntgenbestrahl- ten Chips bereits ab einer Temperatur T≥0◦ C gelang. Es gibt allen Anschein nach keinen relevanten Unterschied in der Anzahl der RTS-Pixel bei einem neutronenbestrahlten und einem kombiniert bestrahlten Mimosa 19-Chip. Bei den Fakehitraten der neutronenbestrahlten, der röntgenbestrahlten und der kombiniert bestrahlten 3T-Pixel ist zum einen ein Anstieg der Fakehits für Temperaturen T≥0◦ C , zum anderen ein Trend zur Sättigung um einen Wert von ∼ 1 · 10−4 für Temperaturen unterhalb von T=0◦ C zu beobachten. Bei dem unbestrahlten Chip hingegen zeigt die Fakehitrate ein Minimum bei T=0◦ C, dessen Ursache nicht geklärt werden konnte. Bei den RTS-bedingten Fakehitraten ist genauso wie bei der Anzahl der RTS-Pixel ein Anstieg mit zunehmender Temperatur zu beobachten. Folglich können diese Größen bei 3T-Pixeln augenscheinlich durch ein gezieltes Kühlen der Chips reduziert werden. Betrachtet man den prozentualen Anteil der RTS-Pixel an der Gesamtzahl der SB-Pixel bei den untersuchten Mimosa 18-Chips, so zeigt sich, dass sich dieser bei dem neutronen- bestrahlten, röntgenbestrahlten sowie kombiniert bestrahlten Chip nur geringfügig mit der Temperatur ändert, während der Anteil der signifikanten Pixel bei dem unbestrahlten Chip eine stärkere Temperaturabhängigkeit aufweist. Bei den Fakehitraten und RTS-bedingten Fakehitraten der verwendeten Chips ist eine deut- liche Temperaturabhängigkeit zu beobachten. Ein Vergleich der RTS-generierten Fakehi- traten mit den Gesamtfakehitraten legt nahe, dass ein Großteil der Fakehits durch RTS hervorgerufen wird. Hinblicklich der Anzahl der RTS-Pixel sowie der Fakehitraten bzw. RTS-bedingten Fake- hitraten zeigt sich, dass die Röntgenstrahlung einen unerwartet starken Einfluss auf SB- Pixel nimmt. Sowohl die an SB- als auch an 3T-Pixeln gewonnenen Daten zeigen einen unerwartet ho- hen Einfluss von ionisierender Strahlung auf die Entstehung von RTS hin. Da diese Strah- lung keine RTS verursachenden Kristalldefekte erzeugen kann, weist diese Beobachtung auf einen möglichen weiteren Wirkmechanismus hin. Dieser Mechanismus könnte trivialerweise im bekannten Anstieg des thermischen Rau- schen bestehen, der zu einer falschen Zuordnung von Pixeln als RTS-Pixel führt. Ange- sichts der geforderten Kette von mindestens 10 Fakehits ist dies allerdings selbst dann unwahrscheinlich, wenn das Rauschen regelmäßig die Ansprechschwelle überschreitet. Als alternative Erklärung sollte eine Ausbildung von RTS erzeugenden Defekten an der Oberfläche zwischen Silizium und Siliziumdioxid im Bereich der Einfangdiode erwogen werden. Auch könnte der bekannte Anstieg des Leckstroms nach Bestrahlung mit ionisie- renden Strahlen die Amplitude eines bereits vorhandenen, aber zu schwachen RTS über die Ansprechschwelle des verwendeten Messaufbaus heben.
Kapitel 7
Anhang
33Temperatur Dosis RTS-Pixel RTS-Pixel Fakehitrate Fakehitrate RTS-bedingte RTS-bedingte
[◦ C] (D.Doering) (D.Doering) Fakehitrate Fakehitrate
(D.Doering)
40 unbestrahlt 2977 4418 3, 26752 · 10−6 3, 1427 · 10−6 3, 01178 · 10−6 2, 96173 · 10−6
neq
40 1, 3 · 1013 cm 2 2785 3180 0,00397 0,00374 9, 05753 · 10−4 9, 27014 · 10−4
40 200kRad 31501 k.A. 0,02129 k.A. 0,01087 k.A.
neq
40 1, 3 · 1013 cm2 + 11738 k.A. 0,01586 k.A. 0,0035 k.A.
200kRad
20 unbestrahlt 5945 6482 2, 6855 · 10−7 3, 72314 · 10−8 2, 67944 · 10−7 2, 96021 · 10−8
neq
20 1, 3 · 1013 cm 2 2970 3359 2, 75529 · 10−4 4, 89797 · 10−4 2, 10648 · 10−4 2, 10025 · 10−4
20 200kRad 24523 k.A. 0,02736 k.A. 0,01087 k.A.
neq
20 1, 3 · 1013 cm2 + 24777 k.A. 0,02585 k.A. 0,01057 k.A.
200kRad
0 unbestrahlt 2085 3985 3, 66211 · 10−9 3, 05176·10−10 3, 66211 · 10−9 3, 05176·10−10
neq
0 1, 3 · 1013 cm 2 4620 4444 1, 2644 · 10−5 1, 60907 · 10−5 1, 23361 · 10−5 1, 47141 · 10−5
0 200kRad 18466 k.A. 0,00136 k.A. 6, 72314 · 10−4 k.A.
neq
0 1, 3 · 1013 cm2 + 17324 k.A. 7, 5348 · 10−4 k.A. 3, 88484 · 10−4 k.A.
200kRad
-20 unbestrahlt 390 1701 6, 10352·10−10 1, 52588 · 10−9 9, 15527·10−10 6, 10352·10−10
neq
-20 1, 3 · 1013 cm 2 8060 5737 1, 02844 · 10−7 9, 60175 · 10−6 1, 01929 · 10−7 9, 37988 · 10−6
-20 200kRad 15020 k.A. 9, 29443 · 10−6 k.A. 9, 02283 · 10−6 k.A.
neq
-20 1, 3 · 1013 cm2 + 23777 k.A. 1, 754 · 10−5 k.A. 1, 63037 · 10−5 k.A.
200kRad
-40 unbestrahlt 87 k.A. 1, 52588 · 10−9 k.A. 1, 52588 · 10−9 k.A.
neq
-40 1, 3 · 1013 cm 2 3841 k.A. 3, 05176·10−10 k.A. 3, 05176·10−10 k.A.
-40 200kRad 18108 k.A. 4, 97437 · 10−8 k.A. 4, 94385 · 10−8 k.A.
neq
-40 1, 3 · 1013 cm2 + 23216 k.A. 5, 7373 · 10−8 k.A. 5, 70679 · 10−8 k.A.
200kRad
KAPITEL 7. ANHANG
Tabelle 7.1: Mimosa 18 (SB-Pixel)7
Temperatur Dosis RTS-Pixel RTS-Pixel Fakehitrate Fakehitrate RTS-bedingte RTS-bedingte
[◦ C] (D.Doering) (D.Doering) Fakehitrate Fakehitrate
(D.Doering)
40 unbestrahlt 73 48 1, 66074 · 10−4 1, 0792 · 10−4 1, 23904 · 10−4 7, 76221 · 10−5
neq
40 1, 3 · 1013 cm 2 1811 32909 0,06114 0,04396 0,00671 0,00397
40 200kRad 36666 k.A. 0,63006 k.A. 0,63 k.A.
neq
40 1, 3 · 1013 cm2 + 36672 k.A. 0,75681 k.A. 0,75681 k.A.
200kRad
20 unbestrahlt 7 5 7, 16851 · 10−6 3, 90082 · 10−6 5, 02658 · 10−6 1, 42253 · 10−6
neq
20 1, 3 · 1013 cm 2 237 268 0,00181 0,00103 0,00117 7, 6344 · 10−4
20 200kRad 138 k.A. 0,00894 k.A. 1, 73333 · 10−4 k.A.
neq
20 1, 3 · 1013 cm2 + 276 k.A. 0,04318 k.A. 0,00101 k.A.
200kRad
0 unbestrahlt 0 0 5, 8865 · 10−7 6, 78168 · 10−8 0 0
neq
0 1, 3 · 1013 cm 2 56 63 2, 30533 · 10−5 1, 81623 · 10−4 2, 16521 · 10−4 1, 5512 · 10−4
0 200kRad 6 k.A. 7, 95112 · 10−5 k.A. 4, 96745 · 10−6 k.A.
neq
0 1, 3 · 1013 cm2 + 59 k.A. 4, 5589 · 10−4 k.A. 1, 8629 · 10−5 k.A.
200kRad
-20 unbestrahlt 0 0 1, 62419 · 10−4 0 0 0
neq
-20 1, 3 · 1013 cm 2 12 16 4, 3259 · 10−5 4, 56548 · 10−5 3, 85525 · 10−5 3, 46913 · 10−5
-20 200kRad 0 k.A. 1, 94381 · 10−4 k.A. 0 k.A.
neq
-20 1, 3 · 1013 cm2 + 16 k.A. 5, 52083 · 10−5 k.A. 4, 02946 · 10−5 k.A.
200kRad
-40 unbestrahlt 0 k.A. 6, 80832 · 10−5 k.A. 0 k.A.
neq
-40 1, 3 · 1013 cm 2 2 k.A. 3, 35632 · 10−4 k.A. 6, 29666 · 10−6 k.A.
-40 200kRad 0 k.A. 1, 17415 · 10−5 k.A. 0 k.A.
neq
-40 1, 3 · 1013 cm2 + 3 k.A. 1, 41309 · 10−4 k.A. 4, 8112 · 10−6 k.A.
200kRad
Tabelle 7.2: Mimosa 19 (3T-Pixel)
35KAPITEL 7. ANHANG
Literaturverzeichnis
[1] J.D.Berst et al.: „Monolithic Active Pixel Sensors for High Resolution Vertex De-
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[9] M.Deveaux et al.: „Random Telegraph Signal in Monolithic Active Pixel Sensors“,
IEEE Nuclear Science Symposium 2008
[10] M.Deveaux et al.: „Radiation Tolerance of CMOS Monolithic Active Pixel Sensors
with Self-Biased Pixels“, Nuclear Instruments and Methods A, July 2009
37LITERATURVERZEICHNIS
Erklärung (nach §30 (11) Ordnung für den Bachelor- und den Masterstudiengang) Hiermit erkläre ich, dass ich die Arbeit selbstständig und ohne Benutzung anderer als der angegebenen Quellen und Hilfsmittel verfasst habe. Alle Stellen der Arbeit, die wörtlich oder sinngemäß aus Veröffentlichungen oder aus anderen Texten entnommen wurden, sind von mir als solche kenntlich gemacht worden. Ferner erkläre ich, dass die Arbeit nicht - auch nicht auszugsweise- für eine andere Prüfung verwendet wurde. Frankfurt am Main, den 23. November 2009 Melissa Domachowski
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