Radiation Hardness Studies of Monolithic Active Pixel Sensors ...

8 KAPITEL 2. MONOLITHIC ACTIVE PIXEL SENSOREN (MAPS)
Die Annahme ist gerechtfertigt, dass die Differenz ∆U unabhängig von diesen Fluktuationen ist
[Dev07]. Dieser Algorithmus wird CDS (Correlated Double Sampling) genannt.
∆U = UCDS = U(t = F0) −U(t = F1) (2.5)
Durch die Anwendung dieses CDS-Algorithmus können somit diese systematischen Unsicherheiten
in der Teilchenidentifikation weitestgehend vermieden werden. Nach Anwendung des
CDS 2 -Algorithmus enthält das Signal damit nur noch sogenannte Hintergrund- und die Signalladung,
die innerhalb der Integrationszeit gesammelt wird.
Im Labor kann die Hintergrundladung in Abwesenheit von Signalladung leicht durch Messungen
ohne störende Signalladungsquelle studiert werden. Die dominierende Hintergrundladungsquelle
ist der Leckstrom der Sammeldiode (leakage current), der die auf der Kapazität gespeicherten
Ladungen durch zufällig angeregte thermische Elektronen verringert. Die Anregung ist exponentiell
von der Temperatur abhängig, so dass eine höhere Temperatur die mittlere Energie der
Elektronen erhöht und somit die Wahrscheinlichkeit steigt, dass ein Elektron die Bandlücke
überspringen kann und das Leitungsband erreicht. Der Leckstrom wird dadurch erhöht 3 .
Das Dunkelstromsignal eines idealen, rauschfreien Pixel UCDS wird hauptsächlich vom Leckstrom
Ileakage verursacht. Gekoppelt sind beide über eine Proportionalitätskonstante, die vom Verhältnis
der Kapazität C zur Integrationszeit tint definiert wird.
Ileakage = C
tint
· [U (F0) −U (F1)] = C
·UCDS
tint
(2.6)
Die Fluktuationen um den Mittelwert des Messsignals werden als Rauschen (noise) bezeichnet.
Zum Teilchennachweis werden zusätzliche Signalladungen QPhy eines in der Integrationszeit
den Sensor durchfliegendes Teilchens als Spannungserhöhung in UCDS nachgewiesen. Der Ablauf
der Analyse zum Nachweis eines möglichen Teilchens wird in Abbildung 2.4 illustriert.
1. Ein Resetstrom IReset füllt die Kapazität über den Resettransistor, wodurch die Spannung
UK steigt.
2. Der Leckstrom verringert in der folgenden Integrationszeit die Spannung UK leicht, was
in einem positiven Signal nach Anwendung von CDS resultiert.
3. Die Kapazität wird wieder gefüllt.
4. Zusätzliche Signalladung verringert die Spannung. Das Signal nach Anwendung von CDS
ist im Vergleich zu vorher ohne Signalladung erhöht.
2Im folgenden wird der Begriff "‘Signal nach Anwendung des CDS-Algorithmus"’ auch als "‘CDS"’ oder
"‘CDS Signal"’ bezeichnet.
3Weitere Informationen über die Elektronentheorie in Festkörper sind in [Kit05] und [S.M85] zu finden. In
[Dev07] werden diese mit dem Schwerpunkt auf MAPS diskutiert.