Комплексная методика исследования полупроводниковых кремниевых детекторов и их применение в физике высоких энергий

• Автор: Кушпиль, Василий Валентинович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 87 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
ГЛАВА 1 КООРДИНАТНЫЕ КРЕМНИЕВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ
1.1 Введение
1.2 Основные типы ККД
1.3 Детекторы с внутренним усилением
ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ККД
Введение
2.1 Статические характеристики Р-И перехода
2.2 Динамические характеристики Р-Ы перехода
2.3 Электрический пробой Р-И перехода
2.4 Моделирование свойств Р-И перехода
2.5 Оценка основных параметров детектора
ГЛАВА 3 ИЗМЕРЕНИЯ И АНАЛИЗ ДАННЫХ
Введение
3.1 Измерение ВАХ
3.2 Измерение ВФХ
3.3 Измерение переходной характеристики
3.4 Измерение параметров детекторов
3.4.1 Измерение напряжения полного обеднения и рабочего напряжения
3.4.2 Особенности исследования МКОД и МКДД
3.4.2 Измерение микрополосковых и межполосковых емкостей
3.4.4 Измерение параметров КДД
3.5 Моделирование характеристик детектора с предусилителем
ГЛАВА 4 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ККД
Введение
4.1 Система калибровки триггера множественности
для эксперимента СЕ11Е8/Ъ1А
4.2 Система считывания для тестов КДД (ALICE)
на основе SCA

4.2.1 Гибридная ИС PAS A-SC A
4.2.2 Общее описание системы считывания и КДД
4.2.3 Результаты тестирования прототипа
ГЛАВА 5 КРЕМНИЕВЫЕ ЛАВИННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ
Введение
5.1 Отрицательная Обратная Связь в радиотехнике
5.2 ООО в лавинных фотодиодах
5.3 Вычисление коэффициента ООО
5.4 Расчет переходной характеристики КЛФООС
5.5 Применение лавинного усилителя в КДД
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
Список рисунков и таблиц
Список сокращений
Рисунки

Введение
Эксперименты в Физике Высоких Энергий (ФВЭ) с пучками тяжелых ионов выдвигают на первое место проблемы оперирования с большим количеством заряженных частиц, которые образуются в результате взаимодействий ионов при соударении. Начиная с 60-х гг. прошлого столетия и по настоящее время ФВЭ является активным стимулятором развития перспективных технических и информационных технологий. Проводя измерения продуктов реакций, желательно знать как минимум число образовавшихся в каждом событии частиц и их угловое распределение. Поэтому факт того, что впервые большое применение Координатные Кремниевые Детекторы (ККД) нашли именно в ФВЭ, не удивителен. Настоящее промышленное освоение ККД началось в действительности лишь с конца 70-х гг. после освоения электронной индустрией фотолитографических методов производства приборов на основе кремния. Первый эксперимент, в котором широко были использованы Микрополосковые Кремниевые Однокоординатные Детекторы (МКОД) начался в 1980 гг. в ЦЕРН [1]. Практически тогда же стало ясно, что производство даже этих простых ККД - весьма сложная задача. Сложности не ограничиваются лишь производством ККД и их топологической оптимизацией для решения определенных задач, но и тем, что для каждого эксперимента необходимо применять свою специальным образом оптимизированную электронику считываниях [2]. Не менее важной задачей стало тестирование работоспособности ККД - учитывая относительно высокую стоимость детектора и интегрированной электроники считывания (предусилитель-формирователь в самом простом случае), а также то, что при проведении монтажа и микроразварки Интегральной Схемы (ИС) предусилителя к детектору весьма сложно провести демонтаж без повреждения ИС и детектора. Именно по этой причине весьма важно убедиться в работоспособности детектора как можно точнее до подключения к нему электроники считывания.
Учитывая все более широкое применение кремниевых координатных детекторов, необходимо выработать общие правила, по которым проводится тестирование детекторов, и их сравнение. Исходя из этого, была сформулирована цель работы - предложить универсальную методику для оценки параметров и исследования ККД, позволяющую получать информацию, наиболее важную с точки зрения дальнейшего их применения. Акцент сделан на координатно-чувствительные детекторы, применяемые в физике высоких энергий. Учитывая особенности изготовления, тестирования и эксплуатации детекторов, для достижения поставленной цели необходимо показать что:
1. Существует простой алгоритм оценки параметров координатного КД, позволяющий получить параметры детектора, необходимые для оптимизации

что может привести к созданию проводящего канала между активной областью детектора и охранным кольцом, в результате чего и наблюдается спонтанное увеличение темнового тока. Вообще проблема влияния зарядов в диоксиде кремния на работу детектора - вопрос сложный и до конца не решенный. Основная причина сильного влияния вышеперечисленных эффектов на ККД - их сравнительно большая активная площадь. До начала применения ККД в ФВЭ с этими проблемами технологи практически не сталкивались, поскольку на пластине кремния обычно изготавливается около сотни полупроводниковых приборов малой площади. Следовательно, при отбраковке приборы с нестабильными характеристиками могут быть исключены, что практически неосуществимо для ККД.
Не менее интересно исследовать поведение ВФХ при малом прямом смещении. Как отмечалось в главе 2, при прямых смещениях преобладает диффузная емкость и поэтому кривая ВФХ должна возрастать. Если наблюдается спад (или насыщение и затем спад), это говорит о наличии быстрых состояний на поверхности кремния (в результате чего велик вклад приповерхностной рекомбинации) и Р-Ы переход обладает индуктивными свойствами [90]. Так что такое поведение ВФХ - верный признак того, что нужно применять ее коррекцию для получения надежных данных.
3.3 Измерение переходной характеристики .
В главе 2 были рассмотрены физические основы методики измерения ВЖННЗ. Время жизни неосновных носителей заряда определяет один из основных параметров детектора - его чувствительность.
Понятна необходимость знать величину ВЖННЗ для изготовленного детектора и следить за ее изменением в процессе его работы. Весьма хорошо можно определять ВЖННЗ по наклону обратной ветви характеристики (темновой ток - глубина ОПЗ) [91]. Но этот метод хорошо работает, пока ВАХ не искажена поверхностными утечками, а, как известно, они сильно возрастают в радиационных условиях. Весьма интересны методики измерения ВЖНН импульсными методами, описанными в [92]. Только следует сразу отметить, что применение импульсных методик позволяет измерять диффузное время жизни неосновных носителей. Оно отличается от объемного ВЖННЗ тем, что характеризует время жизни в области порядка диффузной длины для исследуемого Р-Ы перехода. В случае, когда скорость рекомбинации на металлургической границе РП9 перехода мала, диффузное время жизни равно объемному. Иначе, объемное время жизни больше диффузного. Это позволяет определять скорость рекомбинации, сравнивая ВЖННЗ, полученное разными методами. С другой стороны, весьма простая техника импульсных измерений и то, что на получаемый результат мало влияет темновой ток, делают эти методы весьма интересными с точки зрения применения в эксперименте для мониторинга состояния детектора. Так, в работе автора [93] представлен результат применения импульсной методики