Radiation Hardness Studies of Monolithic Active Pixel Sensors ...

42 KAPITEL 4. METHODEN ZUR STRAHLENHÄRTEUNTERSUCHUNG
Pixel das Auslesesignal nach der Zeit aufgetragen und die Standardabweichung dieses Signals
bestimmt. Hierdurch wird das Rauschen des individuellen Pixel berechnet. Nachfolgend wird
zweitens das Rauschen aller Pixel in einem Histogramm aufgetragen. Es ergibt sich eine asymmetrische
Verteilung, deren Mittelwert das durchschnittliche Rauschen aller Pixel repräsentiert,
während die Breite die Herstellungstoleranz der Pixel im Hinblick auf das Rauschen darstellt.
Die Eigenschaften dieser Verteilung werden drittens in dem Plot 4.5 wie folgt dargestellt: Der
mittlere Datenpunkt repräsentiert den Median der Verteilung. Die Fehlerbalken werden so
gewählt, dass jeweils 17% der Pixel ein Rauschen oberhalb oder unterhalb der Fehlerbalken
haben. Die Fehlerbalken charakterisieren damit die Breite der Verteilung.
Die Quellen dieser Fluktuationen werden in [Dep02] ausgeführt. An dieser Stelle wird nur das
Rauschen des Sensors und der Elektronik eingeführt. Ersteres wird in einem Sensor hauptsächlich
aufgrund der Ladungsquantelung des Leckstromes verursacht. Der Leckstrom beträgt
wenige Vielfache der Elementarladung, so dass dieser entsprechend fluktuiert und damit das
Schrotrauschen hervorruft. Letzteres wird durch Fluktuationen in der Auslesekette hervorgerufen.
Betrifft dieses Rauschen die Pixel einer ganzen Zeile, kann das Rauschen als gemeinsame
Rauschquelle (common mode noise) berechnet und anschließend aus dem Datenstrom gefiltert
werden.
4.4.3 Ladungssammlungseffizienz
Die Wahrscheinlichkeit, dass ein in der Epitaxieschicht diffundierendes Elektron gesammelt
wird, wird Ladungssammlungseffizienz εCCE (Charge Collection Efficiency) genannt. Ein den
Sensor durchquerendes minimal ionisierendes Teilchen erzeugt Elektron/Lochpaare. Diese diffundieren
durch die Epitaxieschicht und je nach Ladungssammlungseffizienz wird ein mehr oder
weniger großer Anteil der erzeugten Ladungsträger die Diode erreichen und damit gesammelt.
Der Signalladungsanteil eines Pixel hängt darüber hinaus von seiner Position relativ zum Einschlagsort
ab, was in verschiedenen Signalgrößen resultiert (Abbildung 4.3). Ein direkter Treffer
eines Röntgenphotons in der Diode erzeugt das größte Signal, alle Signalladungen werden in
einer Diode gesammelt und die benachbarten Dioden enthalten keine Signalladung. Bei einem
Treffer in der Epitaxieschicht sammelt die nächstgelegene Diode die meisten Signalladungen,
die restlichen Signalladungen verteilen sich auf die benachbarten Pixel, die ein entsprechend
kleineres Signal aufweisen. Bei bekannter Ladungssammlungseffizienz εCCE lässt sich aus dem
Summensignal der gesammelten Elektronen Ne aller benachbarter Pixel mit der bekannten
mittleren Energie zur Erzeugung eines Elektron/Lochpaares in Silizium von EA = 3,6 eV die
im Sensor deponierte Energie Ep rekonstruieren.
Ep = Ne · EA
εCCE
(4.2)
Die Ladungssammlungseffienzmessung unter Verwendung einer radioaktiven Quelle dreht
dieses Messprinzip um. Die Energie des absorbierten Teilchens, in diesem Fall ein Photon, ist
für eine gegebene Quelle bekannt. Die Verstärkung der Auslesekette g wird aus der Kalibrierung