Bildgebung mit DEPFET - Prof. Dr. Norbert Wermes - UniversitÃ¤t Bonn

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4.2. RUHESTROMVARIATION DER PIXEL IN EINER DEPFET MATRIX 6145004000KalibrationPolynom-Fit1,10Verstärkungskorrektur normiert auf ADC-Wert 200035001,053000ADC counts #250020001500Korrektur-Faktor1,0010000,952500ADC =-2245,30+342,15 I in+2,94 I inI In=sqrt(ADC/2,94+4149,78)-58,1906 8 10 12 14 16I in[µA]0,900 1000 2000 3000 4000ADC-WertAbbildung 4.1: Kalibration der Auslesekette. Links: Zusammenhang zwischen Eingangsstromund ADC-Werten. Rechts: Auf den ADC-Wert 2000 normierter Korrekturfaktorfür die Nichtlinearität.Spannung am Pulldownwiderstand von CARLOS 2.0 wurde dann ein Strom injiziert. DerEingangsstrom ist in diesem Fall proportional zur Differenz zwischen der Spannung V PDam Pulldownwiderstand und der Spannung am Eingangsknoten, welcher durch die geregelteKaskode auf einem konstanten Potenzial gehalten wird; er wird für alle 64 Kanälegleichzeitig gemessen, der mittlere Eingansstrom pro Kanal ergibt sich durch Divisiondes gesamten Stromes durch die Anzahl der Kanäle.Die Kalibration hängt ab von den jeweiligen Betriebsparametern von CARLOS 2.0; dienormalerweise verwendeten Betriebsparameter waren eine analoge Versorgungsspannungvon V dda = 6.5V , ein Kaskodenstrom von I bias casc = 10µA und ein Loadwiderstandmit V bias load = 6.5V . Der Zusammenhang zwischen Eingangsstrom und Ausgangssignalist für diese Parameter in Abbildung 4.1 dargestellt. Der Zusammenhang ist nicht exaktlinear, lässt sich aber sehr gut durch ein Polynom zweiten Grades annähern. DieNichtlinearität kann in der Datennahmesoftware korrigiert werden. Im zweiten Graphenin Abbildung 4.1 ist der Korrekturfaktor für die Verstärkung dargestellt, wobei für einenWert in der Mitte des Arbeitsbereiches (ADC-Wert 2000) der Korrekturfaktor 1 festgelegtwurde. Für die so korrigierten ADC-Werte gilt der Zusammenhang:∆I in = 2.72 nABit(4.1)4.2 Ruhestromvariation der Pixel in einer DEPFETMatrixDie Arbeitspunkte der 64x64 Pixel in einer DEPFET-Matrix variieren, d.h. der Sättigungsstromder Transistoren in der Matrix ist nicht für alle Pixel gleich hoch. Hierfürgibt es verschiedene Ursachen [Nee00a]:
62 KAPITEL 4. MESSUNGEN MIT DEM DEPFET PIXEL BIOSCOPE• Die Ruheströme in der Matrix streuen aus fertigungsbedingten Gründen wie z.B.Variationen in der Kanaldotierung und Kanaltiefe der Tansistoren. Diese prozesstechnischbedingte mittlere Variation der Transistorströme beträgt etwa σ ≈ 5 %[Nee00a].• Wie in Kapitel 4.3.1 genauer beschrieben wird, fällt die Drainspannung von denäußeren zu den mittleren Matrixzeilen hin bei einem Ruhestrom von I D ≈ 300µAum mehr als ∆U DS = 1V ab. Bei der angelegten Drainspannung von U DS = −6Vwaren alle Transistoren der Matrix in Sättigung. Aufgrund des endlichen Ausgangswiderstandesvon r DS = 233 ± 2kΩ führt der Spannungsabfall dennoch zu einerVariation der Transistorströme von ∆IDss max ≈ 2.5%.• Die Sourcespannung wird zeilenweise von beiden Seiten der Matrix zugeführt. DerWiderstand der Sourcezuleitungen führt dazu, dass die Gate-Source-Spannung V GSzur Pixelmitte hin größer wird. Dies resultiert in einem geringeren Transistorsättigungsstromin der Zeilenmitte. Der Effekt kann nach [Nee00a] berechnet werdenund beträgt bei einem Ruhestrom von I D ≈ 300µA etwa ∆IDss max ≈ 1%.Der Eingangsbereich der ersten Verstärkungsstufe muß so dimensioniert sein, dass allePixel der Matrix trotz der Variation des Sättigungsstromes in ihrem Arbeitsbereich liegen.Bei CARLOS 1.0 lag ein großer Teil der Pixel außerhalb des Arbeitsbereiches, da dieabsolute Variation der DEPFET-Sättigungsströme höher war, als bei der Entwicklung desChips angenommen wurde. Durch eine Reduktion der Transistorsättigungsströme durchErhöhung der Gate-Source-Spannung konnten jedoch zumindest 85 % der Pixel in denArbeitsbereich von CARLOS 1.0 geschoben werden [Nee00a]. Eine höhere Gate-Source-Spannung V GS hat allerdings zur Konsequenz, dass zum einen die Transkonduktanz g mund somit auch die interne Verstärkung g q kleiner wird, was zu einem kleineren Signal undsomit zu einem schlechteren Signal-zu-Rausch-Verhältnis führt. Zum anderen können imFalle von V GS ≠ 0 Gate- und Sourcespannung nicht in der Nähe des Sensors miteinanderverbunden werden, sondern müssen über separate Zuleitungen zugeführt werden. V GSist dann anfälliger für Störungen, was sich in einem erhöhten Common-Mode-Rauschenäußert (s. Kapitel 4.3).Wie in Kapitel 3.4.1 beschrieben, wurde CARLOS 2.0 so konzipiert, dass eine individuelleSubtraktion des Pedestalstromes für alle 64x64 Pixel einer DEPFET-Matrix möglich wirdund somit DEPFET-Pixel mit um etwa 20 % variierenden Transistorsättigungsströmenimmer noch in den Arbeitsbereich des Chips geschoben werden können. Abbildung 4.2zeigt die Verteilung der mit dem Bioscope gemessenen Transistorströme der Pixel einerMatrix bei einer Gate-Source-Spannung von V GS = 0V . In der linken Verteilung wirdkein Gebrauch von der individuellen Stromsubtraktion gemacht, so dass der Großteil derPixel außerhalb des Arbeitsbereiches liegt (weiße und schwarze Bereiche). Im rechten Bildwurde die individuelle Stromsubtraktion verwendet, um diese Pixel in den Arbeitsbereichder Ausleseelektronik zu bringen. Es ist zu erkennen, dass alle Pixel im Arbeitsbereichvon CARLOS 2.0 liegen.
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Bildgebung mit DEPFET- Pixelmatrize
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ENC ≈ 20e − [Ces96], eine Matri
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Anhang ARauschen bei einer korrelie
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142ANHANG B. UNTERSUCHUNG DER ORTSA
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Literaturverzeichnis[Adl01] S. Adle
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146 LITERATURVERZEICHNIS[Kan80] R.J
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148 LITERATURVERZEICHNIS[Sho61] W.
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152 ABBILDUNGSVERZEICHNIS6.2 Schema
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DanksagungAn dieser Stelle möchte
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