Met nanosilicium ontdekken wij de attowereld Erik H

Met nano-silicium ontdekken wij de atto-wereld Erik H. M. Heijne CERN – PH Dept. CH 1211 Geneva 23 Institute for Experimental and Applied Physics of the Czech Technical University in Prague Nikhef Amsterdam Erik. Heijne@cern. ch 1 of 53

Groter en Kleiner wat is atto?

1 meter ATTO MILLI MICRO nano is halfweg atto GIGA NANO 10 -9 TERA PICO PETA FEMTO 10+18 EXA ATTO 10 -18 10+21 ZETTA ZEPTO 10+24 YOTTA YOCTO 10 -24 1 am

de rol van elektronen, elektrische geleiding

Isolatoren: alle electronen gebonden keramische materialen, glas, . . . Geleiders: vol vrije electronen metalen: koper, aluminium, ijzer, . . . Halfgeleiders: minder of meer electronen en ‘gaten’ silicium, germanium, . . .

Variatie concentratie van ladingsdragers ni ni 2= n. p= konstant n elektronen p gaten hangt af van bandgap en temperatuur bij kamertemp Si ni 2=2. 6 x 1020 cm-3 6 -8 ordes v grootte met n=1013 cm-3 gaten slechts p=107 cm-3 Ga. As ni 2=1. 2 x 1014 cm-3 volgens Sze Physics of semiconductor devices Wiley

Kun je elementaire deeltjes zien? het deeltje zelf niet, maar wel het spoor omdat energie wordt afgegeven in materie moet wel een handig materiaal kiezen als detector gas: Geiger-Müller, nevelkamer, dradenkamer, . . vloeistof: bellenvat, argon-ionisatiekamer, . . vaste stof: film, scintillator, halfgeleider, . . het signaal: zwarting, belletjes, licht, elektrische puls

Lichtgevoelige Emulsie als Detektor (>1945) gelatine film 3 D, sub-µm precisie met Ag. Br verval van ‘charm’ deeltje Photon exp. WA 59 ~ 1985 50 µm 500 µm

Lichtgevoelige Emulsie als Detektor (>1945) gelatine film 3 D, sub-µm precisie met Ag. Br verval van ‘charm’ deeltje Photon exp. WA 59 ~ 1985 50 µm opeenvolgende ionizerende overdrachten van energie (~5 ke. V) creëren latent beeld van zilverkorrels, zichtbaar na ontwikkelbad 500 µm

Lichtgevoelige Emulsie als Detektor (>1945) gelatine film 3 D, sub-µm precisie met Ag. Br verval van ‘charm’ deeltje Photon exp. WA 59 ~ 1985 50 µm opeenvolgende ionizerende overdrachten van energie (~5 ke. V) creëren latent beeld van zilverkorrels, zichtbaar na ontwikkelbad 500 µm afstand ~50µm met lichtsnelheid 3 x 108 m/s = 3 x 1014µm/s dus t=1. 6 x 10 -13 s

Bellenvat foto met ‘delta’ straling vloeibaar waterstof Magneetveld aan Bundel ----> INTERACTIES geven secundaire deeltjes met rechte banen, duidend op hoge impuls daar omheen ziet men vele secundaire electronen, aangeduid als ‘delta’ elektronen, met tamelijk lage impulsen. Deze krullen rond in het magneet, wanneer z hun energie verliezen in de vloeistof van het bellenvat.

Big European Bubble Chamber BEBC Bellenvat Neutrino Interactie precisie van de banen~ 1 mm hele volume is gevoelig ---> meten van impulsen belangrijkste apparaat tot ~ 1985

Hoe korter de golflengte, hoe groter de imager 30 m microscoop zichtbaar licht fotons ~1 e. V afmeting 30 cm µm objecten TEM transmissie electron microscoop electron bundel ~100 ke. V afmeting 3 m Å objecten 'attoscope' CERN met protonen 7 Te. V 30 m + 30 km ring atto meter objecten 13 of 53

apparaten steeds groter, deeltjes steeds kleiner

Atlas event Higgs --> twee-fotons Event display of a candidate diphoton event where both photon candidates are unconverted. The event number is 86694500, recorded in run 191426. The leading photon has ET=64. 2 Ge. V and h=-0. 34. The subleading photon has ET=61. 4 Ge. V and h=-0. 61. Measured diphoton mass is 126. 6 Ge. V. The p. T and p. Tt of the diphoton are 6. 1 Ge. V and 5. 4 Ge. V, respectively. Only reconstructed tracks with p. T > 1 Ge. V, hits in the pixel and SCT layers and TRT hits with a high threshold are shown.

MICRO ELEKTRONICA NANO ELEKTRONICA ATTO WERELD (via deeltjesfysika)

H Hoe zit dat met massa? H g and gluons have no mass scale, not diameter source: CMS 17 of 53

Hoe moet je je de ‘Big Bang’ voorstellen? het is ondenkbaar, alle energie in het heelal was opgekropt in één punt dan is opeens het transformeren begonnen na 10 -xx seconde begon massa te ontstaan sindsdien is alles aan het uitzetten en afkoelen en wordt nog steeds energie omgezet in massa bedenk wel dat de materie die wij zien, praktisch leeg is alleen de lichte elektronen bepalen grootte atomen (~0. 1 nm) de kernen (~fm) met massa zijn maar 0. 00000001 % van het volume

Periodiek Systeem volgens “Standard Model” Krachten en Fundamentele Deeltjes Er blijven veel vragen: source: Fermilab waarom nu juist 3 generaties waar zijn de originele anti-deeltjes gebleven waar past hierin de zwaartekracht. . . en nog veel meer 19 of 53

PERIODIC TABLE ELEMENTAL COMPOUNDS also: Hg. I 2 (Ag. Cl) etc.

Eénkristal van halfgeleider - silicium Silicium Imagination and Innovation - gevoelig voor zichtbaar licht (CCD, CMOS kamera) - ook voor allerlei andere straling (>1. 12 e. V bandgap) lage Z, niet efficient voor g >10 ke. V - regelbare geleiding over 10 ordes (x 1010) - oppervlakte-oxide heeft een hoge impedantie/isolatie ~1955 Bell, 1959 Planair(Hoerni-Fairchild), 1970 LOCOS( Kooi, Philips)

Elektronica: spelen met elektronen vanaf ~1900 in vaküum buizen in 1948 halfgeleider transistor eerst germanium, later silicium. . .

STONE AGE IRON AGE SILICON AGE STONE AGE BRONZE AGE IRON AGE SILICON AGE

Silicon single crystal growing Increase of wafer diameter 3/4” - 450 mm 1955 -2015 coming 2016?

MOS Technologie METAL – OXIDE – SILICON de fundametele componenten: * MOS condensator CCD imager matrix 'beeldopnemer' * p – n diode CMOS imager matrix * diverse transistors weerstanden met beperkte waardes in dunne metaal-lagen

SILICON MOS TRANSISTOR Si. O 2 gate 2. 75 nm 2 µm TECHNOLOGY 1982 0. 016 µm 2007

SILICON MOS TRANSISTOR CORRECT SCALE Si. O 2 gate 2. 75 nm 2 µm TECHNOLOGY 1982 0. 016 µm 2007

SCHEMATIC of DIODE OXIDE EDGE FRONT SIDE METAL CONTACT p-TYPE IMPLANTATION p-n JUNCTION x. D DEPLETION REGION n-TYPE BULK DRIFT DIFFUSION REAR SIDE METAL CONTACT CAN BE LARGE, BECAUSE HIGH RESISTIVITY of BULK Si

SILICON DIODE DETECTORS IONIZING PARTICLE LOCALIZED SIGNAL p-IMPLANT + DIODE STRUCTURE not to scale ARRAY of ADJACENT DIODES NO INSENSITIVE VOLUME p-IMPLANT -+ -+ + -+ -+ + 3 V BULK n-TYPE

Een halfgeleider-volume/diode als detektor Een ioniserend deeltje verliest energie, die maakt elektronen ‘e’/ gaten ‘h’ los zodat er een signaal kan worden geïnduceerd op elektrodes aan de buitenkant van de diode Dankzij een aangelegd elektrisch veld vliegen vrijgemaakte ladingen met hoge snelheid zie volgende snelheids grafiek voor e en h

CARRIER TRANSPORT in Si and Ga. As CARRIER DRIFT VELOCITY vs FIELD SATURATION vs TEMP MOBILITY is a function of doping, temp, field. . SEMICONDUCTOR DETECTORS ARE INHERENTLY FAST : 5 - 20 ns

CARRIER TRANSPORT in Si and Ga. As CARRIER DRIFT VELOCITY vs FIELD SATURATION vs TEMP 100 km/s MOBILITY is a function of doping, temp, field. . SEMICONDUCTOR DETECTORS ARE INHERENTLY FAST : 5 - 20 ns

Twee soorten Si detektoren Si Microstrip Detectors can cover larger area Si Pixel Detectors for highest densities Linear array diodes 2 -15 cm depleted bulk ~300µm 2 D pixel matrix with bumps diodes 30µm – 500µm depleted bulk ~150µm 500µm 30 mm @2014 IEEE International Solid State Citrcuits Conference pitch 75µm 1. 3: How Chips Pave the Road to the Higgs Particle and the Attoworld Beyond 33 of 53

DIODE SEGMENTATION ~1965 PHILIPS 100 x 1370 um 1980 CERN / ENERTEC 100 x 4000 umx 200 um ~2000 CERN / MEDIPIX 65000 x 55 um

Silicium is nu overal in de LHC detektors Speciale Chips (ASICs) voor alle sub-systems Si sensors in de binnenste schillen: Pixels (2 D) en Microstrip (1 D) in meerdere lagen Groot aantal sensor elementen: veel chips Teams ontwerpen onze ASICs zelf, niet in industrie Ondanks ‘kleine’ aantallen, toch essentieel: volume, compacte functies, locaal geheugen Simulaties moeten zorgen dat chip meteen goed is 35 of 53

Si Microstrip Sensors en CMOS Uitlees Chips 300 µm ~10 cm Fully depleted Si Sensor divided in parallel strips: “Microstrip Detector” Individual readout chain for each segment Signal ~20 000 e-h pairs 36 of 53

Si Microstrip Sensors en CMOS Uitlees Chips 300 µm Typical signal one particle ~10 cm Fully depleted Si Sensor divided in parallel strips: “Microstrip Detector” Individual readout chain for each segment Signal ~20 000 e-h pairs 37 of 53

CMS Silicon Tracker HALF- BARREL Inner barrel half-module under construction Si-sensors and chips source: CERN- CMS @2014 IEEE International Solid State Citrcuits Conference 1. 3: How Chips Pave the Road to the Higgs Particle and the Attoworld Beyond 38 of 53

CMS Silicon Tracker Forward wheel Si-sensors and chips Barrel source: CERN- CMS 39 of 53

Monteren van CMS Si tracking detektor Muon Detektoren Calorimeter Si Tracker personen source: CERN- CMS 40 of 53

Detector Bestaat uit Schilllen : e. g. ATLAS Drawing Nikhef 41 of 53

Enkele ASICs in ATLAS muon chambers e-CAL pixel detector beam pipe h-CAL TRT Si strip tracker ASDBLR TRT det 38 000 chips FE-I 3 pix det 28 000 chips 80 M segments 1. 7 m 2 Si sensor ABCD Si det 50 000 chips 6 M segments 60 m 2 Si sensor ASD muon det 148 000 chips Chips to scale 1 cm DTMROC TRT det 19 000 chips Totaal ATLAS 100 million sensor cells appr. 800 000 chips majority ASICs 42 of 53

Hoe verder met al die signalen?

Wat gebeurt er met al die metingen? 3 functionel schillen Custom, Radhard Peta. Bytes Custom and FPGA In Cavern Ground Level Abo. Ground level COTS computers, networking Giga. Bytes COTS Modules 44 of 53

Trigger & Data Ac. Quisitie Plus several floors full of PCs

Nog iets over pixel detektoren

Hybride pixel detektor Medipix 2 SEM fotos gemaakt door MCNC-RDI, DURHAM NC - USA PITCH 55 µm MEDIPIX 2 CERN 2001 CAMPBELL & LLOPART 256 kolommen x 256 rijen pixel 55µm x 55 µm

Silicon Pixels in Particle Physics Experiments Developed for high densities and high rates of ionizing particles in LHC Segmented Si sensors achieve best possible particle tracking precison (only photographic emulsion can do better, but is not electronic) ATLAS pixel FE-I 3 basic cell Spin-Off Project/Demo Timepix basic cell 50 um x 400µm 0. 25µm CMOS 55 µm Readout matrix Sensor matrix 300 µm Si sensor matrix is connected by matrix of solder bonds to ASIC 55 µm Layout of a pixel cell 55 umx 55 um, 500 transistors 14 mm chip has matrix of 256 x 256 48 of 53

ATLAS binnenste Si pixel lagen source: CERN- ATLAS 49 of 53

Oefeningen op Woensdag met Medipix/Timepix detektoren

nano-'emulsie'/'bellenvat' : de TIMEPIX USB voeding en gebruik direkt vanaf een PC of MAC PIXELMAN SOFTWARE Praag IEAP-CTU

Radiation imager for schools with educational kit CERN Timepix inside http: //ardent. web. cern. ch/ardent. php

Dosimetry at the Int Space Station ISS units µG/min

TIMEPIX CHIP as SILICON 'EMULSION' or 'BUBBLE CHAMBER' H 6 PION BEAM 2007 INCIDENT from RIGHT BEAM WHICH DIRECTION of TRAILS ? FRAME T 3 -1506 with John Idarraga / Montréal now LAL 54

T 3 -1500 TYPICAL TRAILS. . . T 3 -1504 T 3 -1507 55

Pixel chips for dosimetry in Int Space Station ISS AMS largest experiment. . Pixel chip maybe smallest

Dosimetry at the Int Space Station ISS 4 s Timepix exposure taken in ISS passing through SAA South America Anomaly

TIMEPIX CELL LAYOUT DESIGNER Xavier LLOPART CERN Ph. D Thesis p. 107 1. PREAMPLIFIER CSA 2. THRESHOLD, 4 -BIT TUNING 3. 8 -BIT CONF REGISTER 4. REF_CLK & SYNCHR LOGIC 5. 14 -BIT COUNTER 58

TIMEPIX electronischema 2007 gebaseerd op MPX 2 -MXR met erbij een klokdistributie REF_CLK -> 100 MHz 59

TIMEPIX operatie 100 MHz MODE : To. A aankomst moment MODE : TOT 'TIME over THRESHOLD' meting van signaal-amplitude

Besluit