Aufbau eines Teststandes zur Integration von Silizium ...

12 Kapitel 2. Silizium-Streifendetektoren
Gesamtspannung U = U 0 + U B abhängig. Da im Normalfall U B ≫ U 0 gilt, kann
die für die vollständige Verarmung der n-Schicht eines Detektors mit der Dicke d
notwendige Spannung durch Umstellen von Gleichung (2.7) nach
U B = e · N D
2 · ε · d2 (2.8)
berechnet werden.
Durch die vollständige Verarmung der Diode wird die Anzahl der ohne Teilchendurchgang
vorhandenen Elektron–Loch-Paare zwar reduziert, sinkt aber nicht
auf Null. Dadurch fließt stets ein sog. Leckstrom. Schließt man einen Halbleiterdetektor
an eine Ausleseelektronik an, so kann der Leckstrom durchgehend gemessen
werden. Der Leckstrom und an verschiedenen Stellen in der Ausleseelektronik
entstehende elektrische Pulse führen zu einem permanenten Rauschen, also messbaren
elektrischen Signalen, die ohne einen Teilchendurchgang vorhanden sind.
Die Ruhelage des Signals ist also nicht Null.
2.2.2 Strahlenschäden
Hochenergetische Teilchen können Siliziumatome aus dem Kristallgitter herausschlagen
und dadurch Gitterfehler verursachen. Diese führen häufig zu zusätzlichen
Energieniveaus in der verbotenen Zone. Während die bei einem Teilchendurchgang
erzeugten Ladungsträger aus Valenz- und Leitungsband eingesammelt
werden und zu dem gemessenen Signal beitragen, können diese zusätzlichen Energieniveaus
Ladungsträger für einen Zeitraum festhalten, der zu lang ist, als dass
diese noch dem richtigen Teilchen zugeordnet werden könnten. Solche Gitterfehler
verschlechtern die Effizienz des Detektors. Zum Teil können diese Fehlstellen
von selbst wieder ausheilen, man spricht von Annealing. Andererseits können sich
diese Gitterfehler auch ausweiten und Cluster bilden. Diesen Effekt bezeichnet
man als Reverse-Annealing. Beide Effekte sind stark temperaturabhängig und
können durch niedrige Temperaturen unterdrückt werden. Zur Erhöhung seiner
Lebensdauer wird der CMS-Tracker deshalb bei einer Temperatur von −10 ◦ C betrieben.
Da der Effekt des Annealings auf einer Zeitskala von Minuten stattfindet,
während der für Reverse-Annealing benötigte Zeitraum Monate beträgt, können
während der notwendigen Reparaturarbeiten am Tracker die Fehlstellen wieder
ausheilen, wogegen das Reverse-Annealing großteils verhindert wird.
Die durch Strahlung entstehenden Schäden im Silizium führen häufiger zu
der Bildung von Akzeptor- als zu der von Donatorniveaus. Dadurch kommt es in
n-dotiertem Silizium nach einem längeren Bestrahlungszeitraum zu einer Typinversion,
nach der das Silizium effektiv p-dotiert ist.
2.2.3 Aufbau eines Silizium-Streifendetektors
Ein Silizium-Streifendetektor besteht, wie in Abb. 2.5 zu sehen, aus einer dünnen
n + -dotierten Schicht, einem breiten n-dotierten Bereich, der für die Detektion