Semiconductor solid state detectors 1 Introduction 2 Principle

Semiconductor (solid state) detectors 1. Introduction 2. Principle of semiconductors 3. Silicon detectors, p-n junction, depleted region, induced charge 4. energy measurement, germanium detectors 5. position measurement, silicon strip detectors, pixel detectors silicon drift detectors 6. DEPFET 7. Photon detectors, APD, Si. PM 8. 3 D detectors J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 1

1. Introduction J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 2

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 3

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 4

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 5

Principle of semiconductors J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 6

hole conduction J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 7

8

- J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 9

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 10

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 11

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 12

Recombination and trapping of the charge carriers i) Direct recombination ii) Recombination resulting from impurities in the crystal a) b) iii) Trapping resulting from impurities in the crystal iv) Structural defects in the lattice 13

3. Silicon semiconductors, p – n junction Si: J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 14

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 15

n- type semiconductor J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 16

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 17

p- type semiconductor J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 18

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 19

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 20

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 21

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 22

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 23

Approximation of charge densities Maxwell equations: 24

25

R J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 26

d d J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 27

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 28

metal depletion region J. Žáček HV Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 29

Induced charge d - thickness of the depletion region Q - charge in the depletion region page 25: but different coordinate frame, zero at the junction , resistivity R=1/( ) 30

i. e. If x(t) =0 J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 31

Ex. /pair 32 a good preamplifier needed, low noice

DC direct coupling, J. Žáček AC Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 33

4. Energy measurement Construction of p-n junctions • Diffused junction diode: diffusion of donors to p-type at the temperature 1000 C • Surface barrier junction: junction between a semiconductor and a metal n-type Si with Au, p-type Si with Al sensitive to light • Ion-implanted junctions: a substrate is bombarded by ions from an accelerator Depleted region small ⟹ energy measurement for low energies J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 34

Guard ring J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 35

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 36

Compensating materials developed to increase the depletion region by lithium drifting process known as p-i-n junction Li diffused to p-type, a narrow n-type is created electrons drifted to p-type, negative space charge application of HV ⟶ positive Li ions drifted to p-type for sufficient time to create ⟹ the same concentration of positive ions and electrons t ⟹ no space charge, i. e. compensated region resistivity up to 100 000 Ω width of compensating region 10 -15 mm Si(Li) , the noise is much greater then in normal Si cooling is needed J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 37

Energy resolution Fluctuation of energy losses in the depleted region Landau fluctuation J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 38

Germanium detectors suitable for γ detection, - - High purity germanium (PHGe), depletion region~ cm, low temperature during measurement only Resolution at 1. 33 Mev J. Žáček Ge detector Na. I 0. 15 % 8% Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 39

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 40

5. Position measurement, silicon strip and pixel detectors i) Manufacturing of Si strip detectors ii) Microstrip detectors iii) Position resolution iv) Pixel detectors v) Silicon drift detectors J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 41

i) J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 42

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 43

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 44

ii) R J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 45

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 46

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 47

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 48

iii) J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 49

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 50

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 51

analog readout J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 52

iv) J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 53

Advantages and disadvantages J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 54

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 55

56

v) J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 57

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 58

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 59

Application of strip, pixel and pad detectors Trackers: precise determination of particle tracks (strips or pixels) Vertex detectors: in collider experiments, detectors situated around the interaction vertex Topology: sensors mounted on a planar carbon frames or cylindrical carbon frames Calorimeters: as active layers in sampling calorimeters J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 60

forward and backward silicon tracker of the H 1 experiment Collider HERA, DESY Hamburg, electrons (~26 Ge. V) vs protons (920 Ge. V) several layers of circular planes equipted with strip sensors Si sensors particle Beam pipe protons electronics Emitted particle Interaction vertex electrons J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 61

Pad silicon detectors for the readout of the electromagnetic calorimeter CALICE (calorimeter for linear collider) calorimeter: absorber tungsten, active layers from Si wafers electronic layer above active layer Si wafers 6 x 6 cm, 1 pad 1 x 1 cm, depletion Si region 500 μm readout board Si wafers W - layer 62

5. DEPFET Bipolární tranzistor: Nepřipojený k obvodu Připojený k obvodu emitor báze kolektor 63

FET tranzistor Polem řízené (neboli unipolární či FET) tranzistory spínají/omezují protékající proud na základě toho, jaké napětí je na „drain“ Tři jednotky FETu: řídicí se nazývá gate a značí se "G", spínaný proud vstupuje do drainu "D" a vystupuje z source "S". drain je zde jako kolektor, source jako emitor a gate jako báze J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 64

FET Proud teče mezi S a D mezi nimiž je napětí. Napětí na D mění vodivost substrátu, tj proud teče/neteče Zdroj proudu je S, výstupní proud je v D. J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 65

DEPFET je FET vytvořený na plně vyčerpanén substrátu. Působí současně jako senzor a zesilovač J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 66

Top gate n-Si P –channel FET on a fully depleted n-bulk 67

electrons from photon are collected at the internal gate the energy deposited by a photon is determined by the change of the FET conductivity J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 68

This difference ~to the total amount of collected charge clear mode - change of the FET conductivity, J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 69

7. Semiconductor photon detectors APD - avalanche photodiode replace e. g. photomultipliers in calorimeters, very small devices, can be connected with fibers Usual photodiode J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 70

avalanche photodiode J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 71

J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 72

HAPD - hybrid APD J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 73

Si. PM Silicon Photon Multipliers depletion region J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 74

Si. PM detects individual photons, current ~ to the number of fired pixels J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 75

Si. PM were first developed for the readout of scintillation light of the hadron calorimeter within CALICE collaboration Hadron calorimeter WLS fibre Scintillation light from the tile is collected by a WLS fiber which is directly connected to a SIPM. 76

(pixel ≡ photodiode) Pedestal ≡ noise J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 77

3 D detectors J. Žáček Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky 78