Siliziumdriftdetektor

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Ein Siliziumdriftdetektor (SDD) ist ein relativ neuer Strahlungsdetektor zur Messung von ionisierender Strahlung. Sie werden unter anderem in Röntgenspektrometern zur Detektion von Röntgenstrahlung eingesetzt. Der Halbleiterdetektor wurde 1984 von E. Gatti und P. Rehak vorgestellt und seitdem für unterschiedliche Bereiche der Hochenergiephysik und Röntgenspektroskopie weiterentwickelt.[1]

Aufbau[Bearbeiten]

Das Grundprinzip eines Siliziumdriftdetektors entspricht im Wesentlichen einer pn-Diode bzw. einer Fotodiode aus Silizium mit einem hochdotierten p-leitfähigen (p+) und einem moderat dotiertem n-leitenden Bereich. Durch eine von außen angelegte elektrische Spannung wird (hauptsächlich) der n-dotierte Bereich am Übergang zum p+-dotierten Bereich verarmt, das heißt, das Feld der angelegten Spannung führt zu einer Verdrängung der Majoritätsladungsträger (im n-dotierten Bereich die Elektronen). Dadurch verbreitert sich die schon ohne Spannung vorhandene Raumladungszone. Einfallende Röntgenstrahlung wird absorbiert und erzeugt Elektron-Loch-Paare, die in diesem ladungsträgerarmen Bereich aufgrund der angelegten Spannung getrennt werden können, ohne zu rekombinieren. So driften die Elektronen zum n-dotierten Bereich und gelangen zur Anode. Die Löcher (Defektelektronen) driften hingegen zum p-dotierten Bereich und gelangen zur Kathode des Detektor-Kristalls. Dieser prinzipielle Aufbau kann leicht vertikal in einem dünnen n-dotierten Siliziumsubstrat (beispielsweise einem Wafer) realisiert werden, wobei die Anode und die Kathode jeweils flächig auf jeweils einer Seite des Substrats angebracht werden. Dieser Aufbau hat jedoch Nachteile, denn zum einen stellte die flächige Anode eine große elektrische Kapazität da, was zu einer großen Signalformungszeit führt, zum anderen ergibt sich nur eine relativ kleine Raumladungszone.

Eine deutliche Verbesserung wurde mit der 1984 von E. Gatti und P. Rehak vorgestellten Driftkammer erreicht.[2] Im Gegensatz zu dem zuvor beschrieben Aufbau wurde ein dünnes n-dotiertem Siliziumsubstrat (Die eines Wafers) beidseitig mit einem p+-dotiertem Bereich versehen und kontaktiert (die Kathode). Das n-dotierte Bulk-Silizium wurde nur über einen relativ kleinen Kontakt an einer der Seiten kontaktiert. Trotz der kleinen Dimension der Anode, ist es möglich den gesamten Wafer durch eine extern angelegt elektrische Spannung zu verarmen. Dabei wächst zunächst die schon ohne Spannung vorhanden Raumladungszonen (beide Substratseiten) mit Größe der Spannung bis sich beide Raumladungszonen berühren, so dass sich zwischen den beiden p+-dotierten Bereichen ein verarmter Bereich ausbildet. Erhöht man die Spannung weiter breitet sich die Raumladungszone weiter seitlich außerhalb der p+-dotierten Bereiche in Richtung der Anode aus.[3]

Von einfallender Röntgenstrahlung, die in diesem ladungsträgerarmen Bereich absorbiert wird, erzeugte Elektron-Loch-Paare werden aufgrund der angelegten Spannung getrennt. Die Löcher (Defektelektronen) driften zu den p+-Kontakten und die Elektronen in Gegenrichtung in die Substratmitte zwischen den beiden p+-Kontakten. Durch Überlagerung der Raumladungszone mit einer zweiten Spannung parallel zu Waferoberfläche können die Elektronen kontrolliert zur Anode driften, wo sie einer Verstärkerschaltung bzw. Auswertungselektronik zugeführt werden. Auf diese Weise erhält man die Grundstruktur der von E. Gatti und P. Rehak vorgestellten Halbleiter-Driftkammer.[3]

Heutzutage weicht der typische Aufbau von diesem Grundkonzept mehr oder weniger ab. So werden moderne SDD meist in zylindrischer Form auf einem hochreinen Silizium-Wafer gefertigt. Zur Effizienzsteigerung werden mehrere p-dotierte Bereiche ringförmig um eine zylindrische n-dotierten Anode in der Wafermitte angeordnet.[3][1][4] Dabei kommen Standardverfahren der Halbleitertechnik zum Einsatz, beispielsweise fotolithografische Strukturierung, Ionenimplantation zur Dotierung oder Abscheidung von Siliziumdioxid und Aluminium. Neben der ursprünglich zweiseitig (strukturierten) Version wurden in der Literatur alternative Varianten mit nur einseitiger Strukturierung vorgestellt, bei denen zusätzlich Transistoren als Vorverstärker auf dem Detektor-Kristall integriert wurden, vgl. u.a Scholze et al.[1], Pieolli et al.[5] sowie Friedbacher und Bubert [6].

Vor- und Nachteile[Bearbeiten]

Aufgrund der geringen Dicke und somit des geringeren Detektorvolumens gegenüber Si(Li)-Detektoren besitzen SDD bereits oberhalb ca. 10 keV eine geringere Effizienz.[7] Dies ist jedoch bei der RFA kaum störend, da hier die Strahlungsintensität meist hoch genug ist. Die (volumenabhängigen) Leckströme sind ebenfalls deutlich geringer, was das Rauschen des Ausgangssignals verkleinert. Deshalb genügt es, sie mit kleinen Peltier-Kühlern auf etwa −20 °C zu kühlen. Dadurch (und wegen der effizienteren Herstellung auf Wafern) sind sie kleiner und günstiger als Si(Li)s. Da die elektrischen Signale in der Mitte des Siliziumdriftdetektors auf einer kleinen Anode gesammelt werden, ist ihre elektrische Kapazität der Anode geringer als bei Si(Li)-Detektoren, was eine um den Faktor zehn schnellere Messzeit erlaubt. Des Weiteren erlaubt die Herstellung mit Standardverfahren der Halbleitertechnik auf typischerweise 4-Zoll- oder 6-Zoll-Wafern eine einfach Integration eines oder mehrerer Transistoren, die als Vorverstärker eingesetzt werden können. Damit sitzt der Vorverstärker noch dichter am Detektormaterial als bei den Si(Li)-Detektoren, was wiederum eine bessere elektronische Auswertung ermöglicht. Aus diesen Gründen lösen sie zunehmend die Si(Li)-Detektoren ab.[4]

Literatur[Bearbeiten]

  •  Emilio Gatti, Pavel Rehak: Semiconductor drift chamber — An application of a novel charge transport scheme. In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 225, Nr. 3, 1984, S. 608–614, doi:10.1016/0167-5087(84)90113-3.
  •  Gerhard Lutz: Semiconductor Radiation Detectors. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1999, ISBN 978-3-540-71678-5, S. 125–136.
  •  Peter Holl: Bau und Test einer Siliziumdriftkammer — Diplomarbeit. MPI-PAE-EXP-EL-150, 1985 (http://cds.cern.ch/record/160464).
  •  Lothar Strüder, G. Lutz, P. Lechner, H. Soltau, P. Holl: Semiconductor detectors for (imaging) X-ray spectroscopy. In: Kouichi Tsuji, Jasna Injuk, René Van Grieken (Hrsg.): X-Ray Spectrometry: Recent Technological Advances. John Wiley & Sons, 2004, ISBN 047148640X, S. 133-193.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c  Frank Scholze u. a.: X-Ray Detectors and XRF Detection Channels. In: Burkhard Beckhoff u.a. (Hrsg.): Handbook of Practical X-Ray Fluorescence Analysis. Springer, Berlin/Heidelberg 2006, ISBN 978-3-540-28603-5, S. 199–308.
  2.  Emilio Gatti, Pavel Rehak: Semiconductor drift chamber — An application of a novel charge transport scheme. In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 225, Nr. 3, 1984, S. 608–614, doi:10.1016/0167-5087(84)90113-3.
  3. a b c  L. Strüder, G. Lutz, P. Lechner, H. Soltau, P. Holl: Semiconductor detectors for (imaging) X-ray spectroscopy. In: Kouichi Tsuji, Jasna Injuk, René Van Grieken (Hrsg.): X-Ray Spectrometry: Recent Technological Advances. John Wiley & Sons, 2004, ISBN 047148640X, S. 133-193.
  4. a b  David Bernard Williams, C. Barry Carter: Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science. Springer, 2009, ISBN 9780387765006, S. 588.
  5.  L. Pieolli, M. Grassi, M. Ferri and P. Malcovati: A Low Noise 32-Channel CMOS Read-Out Circuit for X-ray Silicon Drift Chamber Detectors. In: Giovanni Neri (Hrsg.): Sensors and Microsystems: AISEM 2010 Proceedings. Springer, 2011, ISBN 9789400713246, S. 259–264 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  6.  Gernot Friedbacher, Henning Bubert (Hrsg.): Surface and Thin Film Analysis. 2. Auflage. John Wiley & Sons, 2011, ISBN 9783527636945, S. 273 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  7.  Frank Eggert: Standardfreie Elektronenstrahl-Mikroanalyse. BoD – Books on Demand, 2005, ISBN 9783833425998, S. 12–13.