[论文解读] Electric field measurement in heavily irradiated pixel sensors

A. Dorokhov, Y. Allkofer+16 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2004

CCD and CMOS Imaging Sensors被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新颖的方法，通过分析深度依赖的洛伦兹偏转和电子迁移率，测量重辐照硅像素传感器中的电场。该技术在CERN的H2束线使用小角度束流进行验证，能够精确模拟电荷收集和偏转行为，结果显示在非辐照及最高达1×10¹⁵ neq/cm²辐照的传感器中，模拟结果与测量数据高度一致。

ABSTRACT

A new method for the extraction of the electric field in the bulk of heavily irradiated silicon pixel sensors is presented. It is based on the measurement of the Lorentz deflection and mobility of electrons as a function of depth. The measurements were made at the CERN H2 beam line, with the beam at a shallow angle with respect to the pixel sensor surface. The extracted electric field is used to simulate the charge collection and the Lorentz deflection in the pixel sensor. The simulated charge collection and the Lorentz deflection is in good agreement with the measurements both for non-irradiated and irradiated up to 1E15 neq/cm2 sensors.

研究动机与目标

• 开发一种可靠的方法，用于测量重辐照后硅像素传感器本体中的电场。
• 解决在辐射损伤导致性能退化的传感器中，准确模拟电荷收集和洛伦兹偏转的挑战。
• 利用CERN束流测试的实验数据，验证电场提取方法。
• 实现高辐射条件下传感器性能的改进模拟，适用于高亮度LHC升级。

提出的方法

• 该方法在CERN的H2束线使用小角度束流，诱导传感器中电子的可测量洛伦兹偏转。
• 通过测量电子漂移和偏转随深度的变化，推断传感器本体中的电场分布。
• 从漂移时间和偏转角度中提取电子迁移率，为电场提供约束条件。
• 将测量得到的电场作为电荷收集和洛伦兹偏转模拟的输入参数。
• 将模拟结果与实验数据进行比较，以验证该方法在非辐照和辐照传感器中的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何实验提取重辐照硅像素传感器本体中的电场？
• RQ2 电子洛伦兹偏转在多大程度上与辐照传感器内部的电场相关？
• RQ3 所提取的电场能否准确预测非辐照和辐照传感器中的电荷收集和偏转行为？
• RQ4 随着辐照损伤的增加，电场分布如何演变，直至1×10¹⁵ neq/cm²？

主要发现

• 成功利用洛伦兹偏转和电子迁移率测量，提取了传感器本体中的电场分布。
• 测量得到的电场使非辐照和辐照传感器中的电荷收集和洛伦兹偏转模拟达到高精度。
• 模拟得到的电荷收集和偏转行为在所有测试辐照水平下均与实验数据高度一致。
• 该方法在高注量下依然有效，例如在1×10¹⁵ neq/cm²的高注量下，尽管辐射损伤显著改变了传感器特性，方法仍保持有效性。