Radiation Hardness Studies of Monolithic Active Pixel Sensors ...

46 KAPITEL 4. METHODEN ZUR STRAHLENHÄRTEUNTERSUCHUNG
4.4.5 Zusammenfassung
In diesem Abschnitt wurde die Extraktion der relevanten Observablen aus dem Primärsignal
beschrieben und die Observablen anhand von Vergleichen charakterisiert. Der Leckstrom wird
als Mittelwert des Auslesesignals identifiziert. Das Rauschen wird als Standardabweichung des
Auslesesignals erkannt. Die Ladungssammlungseffizienz gibt die Wahrscheinlichkeit an, mit
der ein in der Epitaxieschicht generiertes Elektron gesammelt wird. Kalibriert werden kann
die Ladungssammlungseffizienz mit direkten Diodentreffern, für die erfahrungsgemäß eine
Ladungssammlungseffizienz von 100 % erreicht wird.
4.5 Abschätzung der systematischen Unsicherheiten
Bevor Messungen zur Strahlenhärte und Ausheilverhalten durchgeführt werden können, ist es
erforderlich, die Verlässlichkeit der Messungen zu testen und damit die systematischen Unsicherheiten
der Messapparatur abzuschätzen.
4.5.1 Unsicherheiten in der Temperaturkontrolle
Die exakte Kontrolle der Temperatur war eine der großen experimentellen Herausforderungen.
Erstens konnte die Temperatur des Sensors nicht direkt gemessen werden, zweitens ließ sich
diese Temperatur durch die Kühlung nur indirekt kontrollieren. Aus diesem Grund wurden in
Abschnitt 4.1.2 Strategien beschrieben, um die Temperatur möglichst gut kontrollieren und
reproduzieren zu können.
Um abschätzen zu können, wie gut die Temperatur kontrolliert werden kann, wurde der
Leckstrom eines unbestrahlten MIMOSA-19 im Temperaturbereich von T = −56 ◦C bis
T = +30 ◦C gemessen (Abbildung 4.8). Der gemessene Leckstrom steigt darin über drei Größenordnungen
von (6,9 ± 0,1) aA auf (2,52 ± 0,02) fA. Um die Unsicherheit dieser Messung
abzuschätzen, wird der Temperaturverlauf mit dem theoretisch zu erwartenden Temperaturverlauf
verglichen (Abbildung 4.8).
Für den Leckstrom einer Diode gilt nach [Mol99]:
I(T ) = I(TR) · T
Eg 1
exp −
TR 2kB TR
1
(4.5)
T
TR = 293K (= + 20 ◦ C) ist eine Referenztemperatur und Eg = 1,12 eV bezeichnet die Energie
der Siliziumbandlücke. Die gemessene Temperatur T wird in der Einheit Kelvin eingesetzt.
Die Abweichung der Messreihe vom theoretischen Verlauf für niedrige Temperaturen wird
als Hinweis auf eine unzureichende Temperaturkontrolle gewertet. Eine mögliche Ursache
für dieses Verhalten ist die mit größerer Temperaturdifferenz zur Raumtemperatur sinkende
Kühlleistung des Kühlsystems. Entsprechend wird die Temperatur bei sehr hohen oder sehr