Development of fast and radiation hard Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS) optimized for open charm meson detection with the CBM - vertex detector [Elektronische Ressource] / Michael Deveaux

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• Physik

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• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 24
• Langue: English
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Extrait

Development of fast and radiation hard
Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS)
optimized for open charm meson detection
with the CBM - vertex detector
Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften
vorgelegt beim Fachbereich Physik
der Johann Wolfgang Goethe - Universit at
in Frankfurt am Main
These presentee pour obtenir le grade de Docteur
de l’Universite Louis Pasteur Strasbourg 1
Discipline: Physique
Michael Deveaux
aus/ne a Idar-Oberstein
Frankfurt/Strasbourg (2007)
(D30)
Revision: 1.04Vom Fachbereicht Physik der
Johann Wolfgang Goethe - Universit at als Dissertation angenommen.
Dekan: Prof. D.-H. Rischke
Gutachter:
Prof. Dr. J. Stroth, Goethe Universit at, Frankfurt am Main
Dr. habil. M. Winter, Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien, Strasbourg
Datum der Disputation: 20.03.2008
2Contents
Sommaire fran cais 11
Deutsche Zusammenfassung 17
Introduction 21
1. The CBM experiment: Physics motivations and detector concept 25
1.1. The physics of the CBM experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.1.1. Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.1.2. The phase diagram of hadronic matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.1.3. Experimental access to the phase diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.2. CBM, an experiment to explore the nuclear phase diagram . . . . . . . . . . . . . 30
1.3. The Silicon Tracking System (STS) of CBM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3.1. Requirements and running conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3.2. The initial design proposal for the CBM silicon tracking system . . . . . . . 35
1.4. Questions on the pixel detector technology of the STS and the task of this work . . 36
1.5. Summary of this chapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2. Monolithic Active Pixel Sensors 41
2.1. The detection principle of silicon detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.1.1. A short introduction into semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.1.1.1. The band model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.1.1.2. Direct and indirect . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.1.1.3. Doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.1.2. Particle detection with a silicon detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.1.3. The PN-Junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.1.4. The PN-junction as detector for minimum ionizing particles . . . . . . . . . 47
2.1.5. The strategy of di erent pixel detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.2. Building a Sensor in a CMOS process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2.1. Why CMOS pixels? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2.2. Structures in a typical CMOS process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2.3. The sensor of a MAPS-detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.2.3.1. Basic design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.2.3.2. Integration of the sensor into a CMOS process . . . . . . . . . . . 54
2.2.3.3. Thickness of the sensitive volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.2.4. The on-pixel preampli ers: Properties and signal encoding . . . . . . . . . 54
2.2.4.1. The charge-to-voltage conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.2.4.2. Deriving the collected charge from measurements: The correlated
double sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.2.4.3. Currents in a MAPS pixel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.2.4.4. The need for leakage current compensation . . . . . . . . . . . . . 57
2.2.4.5. Leakage current compensation in the 3T-pixel . . . . . . . . . . . 57
3Contents
2.2.4.6. Leakage current compensation in the SB-pixel . . . . . . . . . . . 58
2.2.4.7. Signal encoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.2.5. Readout of the pixel arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.3. Established performances of MAPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.4. CBM requirements versus MAPS abilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3. Conceptiunal considerations for a vertex detector based on MAPS 69
3.1. A concept for fast MAPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.1. Fundamental considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.2. On-pixel functionalities required . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1.3. Status of the R&D on readout speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1.4. Outlook: On-chip ADCs and data sparsi cation . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.1.5. Expected performance and geometrical layout . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2. Material budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.1. Minimum thickness of the detector chips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.2. Material budget of the support structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.2.1. Requirements on the support structures . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.2.2. Design guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.2.3. Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.2.4. Heat evacuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.2.5. Vibrations and deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.2.2.6. Vacuum aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.2.2.7. Cables and connectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.2.3. Material budget of the full detector stations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3. Summary and conclusion on readout speed and material budget . . . . . . . . . . . 82
4. Assessment of the radiation tolerance of MAPS 85
4.1. Radiation damage in silicon detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.1.1. Fundamental radiation e ects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.1.2. E ects of ionizing radiation doses on CMOS-devices . . . . . . . . . . . . . 86
4.1.3. E ects of non-ionizing radiation and the NIEL-model . . . . . . . . . . . . 88
4.2. Observables and precision goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2.1. Observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2.2. Precision goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3. The hardware setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.3.1. The external readout electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
554.3.2. The dark chamber and Fe-source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.4. Algorithms for interpreting the output signal of 3T-Pixel and the SB-pixel. . . . . 94
4.4.1. De nitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4.2. The noise of MAPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4.2.1. Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4.2.2. Sources of noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.4.3. Categories distinguished by the analysis software . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.4.4. Algorithms used for assessing the 3T-pixel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.4.4.1. Insulating the leakage current in the absence of a hit . . . . . . . 97
4.4.4.2. the common mode in the of a hit . . . . . . . . 98
4.4.4.3. Estimating the noise in the absence of a hit . . . . . . . . . . . . . 98
4.4.4.4. the signal charge and hit detection . . . . . . . . . . . 99
4.4.4.5. Clusterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4Contents
4.4.4.6. Estimating leakage current, noise and common mode in the pres-
ence of hits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.4.4.7. Update of leakage current and noise estimate . . . . . . . . . . . . 100
4.4.5. Limits of the algorithm when being applied to data from SB-pixels . . . . . 102
4.5. Procedures for measuring the electronic properties of MAPS . . . . . . . . . . . . . 103
4.5.1. Gain and charge collection e ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.5.1.1. The charge collection distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.5.1.2. Impact of the charge collection process on the distribution for X-rays104
4.5.1.3. Classes of interactions between X-rays and the detector . . . . . . 104
4.5.1.4. Charge collection distributions for groups of pixels . . . . . . . . . 104
4.5.1.5. Peaks in the charge collection distribution . . . . . . . . . . . . . . 106
4.5.1.6. The calibration peak in single and multi pixel distribution: A side
remark. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.5.1.7. Estimating gain and charge collection e ciency . . . . . . . . . . 108
4.5.2. Leakage currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.5.3. Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.5.4. The time constant of the recharge cur