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