Radiation Hardness Studies of Monolithic Active Pixel Sensors ...

Kapitel 2
Monolithic Active Pixel Sensoren (MAPS)
Monolithic Active Pixel Sensoren (MAPS) sind neuartige Silizium-Pixel-Detektoren zur Detektion
von Spuren geladener Teilchen.
Ursprünglich für Anwendungen in moderner Konsumelektronik z.B. Digitalkameras entwickelt,
werden sie seit 1999 am Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien Strasbourg (IPHC) für den
Einsatz als Teilchendetektor optimiert. Sie zeichnen sich besonders durch eine geringe Dicke von
etwa 50 µm und eine hohe Granularität aus. Die typische Pixelgröße (pitch) von 10 bis 30 µm
erlauben eine Ortsauflösung von 1 bis 5µm. Aufgrund dieser Eigenschaften wird ihr Einsatz in
den Vertexdetektoren verschiedener Schwerionen- und Teilchenphysikexperimente erwogen.
MAPS werden in einzelnen Kenngrößen von anderen Detektoren übertroffen, ihre Stärke ist
nach [DAD + 09] die Ausgewogenheit aller Kenngrößen.
2.1 Pixeldesign und Funktionsprinzip
Ein Pixel eines MAPS setzt sich aus dem eigentlichen Sensor sowie einem Teil der Auslese
zusammen. Die Auslese lässt sich in die drei Stufen Vorverstärker (preamplifier), Quellfolger
(source follower transistor) und Auswahltransistor (select transistor) unterteilen.
Das aktive Volumen eines MAPS wird aus drei verschiedenen Dotierungsschichten gebildet.
Dies wird in Abbildung 2.1 (oben links) illustriert. Eine moderat P-dotierte Epitaxieschicht
(epitaxial layer) (nP ≈ 1015 1
cm3 ) wird von zwei hoch P-dotierten Schichten (nP++ ≈ 1019 1
cm3 )
umgeben, der P-Senke (p-well) und dem Substrat (substrate). Die P-Senke wird durch eine
Implantation unterbrochen, die zusammen mit der Epitaxieschicht die Sammeldiode des Sensors
bildet. Wie in Abbildung 2.1 (oben rechts) gezeigt, folgt aus der (P++,P,P++)-Dotierung die
Ausbildung eines Potentials in der Epitaxieschicht.
Das Nachweisprinzip von den Sensor durchquerenden Teilchen beruht auf der Erzeugung von
Elektron/Lochpaaren entlang ihrer Trajektorie (Abbildung 2.1 (unten)). Die vom Potential ge-
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