Radiation Hardness Studies of Monolithic Active Pixel Sensors ...

12 KAPITEL 2. MONOLITHIC ACTIVE PIXEL SENSOREN (MAPS)
Im Unterschied zur vorher diskutierten kontinuierlichen Auslese wird das Pixel bei der diskreten
Auslese entsprechend wie beim 3T-Pixel nur zu den zwei Zeitpunkten F0 und F1 ausgelesen.
Eine mögliche Abfolge für ein individuelles Pixel wird in Abbildung 2.6 ausgeführt.
In der ersten Abbildung sind Leckstrom und Ladestrom im Gleichgewicht, damit ist U (F0) = U (F1)
und das Signal ist null.
Die zweite Abbildung zeigt die Situation beim Auftreten von Signalladung. Sie führt zu einem
im Vergleich zur Integrationszeit nahezu sofortigen Abfall der Spannung. Durch den Abfall der
Spannung erhöht sich gleichzeitig die an der Ladediode anliegende Spannung, was aufgrund
des exponentiellen Zusammenhangs der Diodenkennlinie zwischen Spannung und Stromstärke
zu einem exponentiellen Anstieg des Ladestromes führt, so dass die Signalladung langsam
kompensiert wird. Der Spannungsabfall durch die Signalladung sowie die danach einsetzende
aber noch nicht abgeschlossene Kompensation führt dazu, dass U (F0) > U (F1) ist und somit
das Signal für einen Auslesezyklus ansteigt.
In der dritten Abbildung tritt zwar keine neue Signalladung auf, die vorherige Signalladung
ist aber noch nicht vollständig ausgeglichen, so dass die Spannung leicht ansteigt, damit
U (F0) < U (F1) ist und zu einem leicht negativen Signal führt.
In der vierten Abbildung ist die Signalladung vollständig kompensiert. Bis zum Eintreffen weiterer
Signalladung kompensieren sich Leckstrom und Ladestrom, U (F0) = U (F1) und somit
ist das Signal nach Anwendung des CDS-Algorithmus null.
Der verwendete Messaufbau ermöglicht die diskrete Auslese sowohl von 3T- als auch SB-Pixel.
In einer Spurverfolgungsaufgabe ist dagegen die kontinuierliche Auslese der SB-Pixel erforderlich.
Im Rahmen dieser Strahlenhärtestudie werden keine Spurrekonstruktionen gefordert, so
dass sich deshalb auf die diskrete Auslese beschränkt werden kann.
Ein kritischer Punkt für den erfolgreichen Betrieb eines Sensors mit SB-Pixel ist die Nachladekonstante
τ. Diese beschreibt, wie schnell eine Signalladung kompensiert wird. Ist τ zu
lang, kann sich die Kapazität durch die Signalladung eines weiteren Teilchens weiterentladen,
bevor die ursprüngliche komplett kompensiert wird. Über mehrere Treffer hinweg, kann so
die Spannung auf null absinken und damit das Pixel insensitiv werden. Ein zu kurzes τ führt
dagegen zu einer zu schnellen Kompensation der Signalladung, so dass diese kompensiert wird,
bevor sie gemessen werden kann.
2.3 Die verwendeten MAPS-Prototypen
In den vorangegangenen Abschnitten wurden die theoretischen Grundlagen eines MAPS erörtert.
In dieser Arbeit kommen vom IPHC Straßburg entwickelte, für die Detektion geladener Teilchen
optimierte MAPS zur Anwendung. Tabelle 2.1 listet einige Eigenschaften der drei in dieser
Arbeit verwendeten Prototypen, MIMOSA-15, MIMOSA-18 und MIMOSA-19 genannt, auf.
Alle drei wurden im AMS 0,35 OPTO Prozess hergestellt. Weitere Eigenschaften sowie die