Radiation Hardness Studies of Monolithic Active Pixel Sensors ...

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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
4.4. OBSERVABLEN 43 Entries in histogram (1 bin = 1 ADC) 500 400 300 200 100 Large (collection) peak 25 cluster pixel 1 cluster pixel 4 cluster pixel 0 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 Charge collected [ADC] Small (calibration) peak Abbildung 4.6: Ladungsspektrum eines Fe-55-Strahlers bei drei verschiedenen Clustergrößen: 1 (rote durchgehende Linie), 4 (blaue gestrichene Linie) und 25 (schwarze Fläche) Pixel. Der große Peak wandert mit größerer Clustergröße zu höherer gesammelter Ladung. Der kleine Kalibrationspeak bei einem Wert von 160 Kanälen gibt, wie im Abschnitt 4.4.4 ausgeführt, die maximal sammelbare Ladung an. in Abschnitt 4.4.4 berechnet. Damit lässt sich die Ladungssammlungseffizienz εCCE aus der Zahl der gemessenen Signalladungen S berechnen. g · S · EA εCCE = Ep (4.3) Die Verstärkung übersetzt die gemessene Zahl der Signalladungen in ADC-Einheiten in eine Anzahl von Elektronen. Ne = g · S (4.4) Nach der Bestimmung der Ladung des Hauptpixel (seed pixel) kann die Ladung der benachbarten Pixel ebenfalls rekonstruiert werden und zu einem Cluster um das Hauptpixel zusammengefasst werden. Abbildung 4.6 zeigt drei Summenladungsspektren der gleichen Messung für verschiedene Clustergrößen. Die großen breiten Peak ähnlichen Strukturen kommen von
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