Radiation Hardness Studies of Monolithic Active Pixel Sensors ...

48 KAPITEL 4. METHODEN ZUR STRAHLENHÄRTEUNTERSUCHUNG
niedrigen Temperaturen systematisch überschätzt. Ein weiterer möglicher Grund könnte in der
durch Defekte katalysierten Anregung von Elektronen liegen, die gerade bei niedrigen Temperaturen
dominieren können, wenn die kinetische Energie der Elektronen nicht mehr ausreicht, die
Bandlücke direkt zu überwinden.
Weiterhin ist der Leckstrom bei niedrigen Temperaturen so klein, dass er nur wenige Elektronen
pro Auslesezyklus entspricht. Deshalb wird die Aussagekraft einer Leckstrommessung bei sehr
tiefen Temperaturen eingeschränkt.
Bei Temperaturen ab T > −15 ◦ C wird der Leckstrom über zwei Größenordnungen durch die
Parametrisierung relativ gut beschrieben. Beide Graphen weisen die gleiche Steigung auf. Dies
deutet darauf hin, dass sich die Temperatur des Sensors und die Temperatur des Kühlsupports in
guter Näherung linear zueinander verhält. Würde die Temperatur am Kühlsupport stärker sinken
als die Temperatur des Sensors, würde dies in einer von der Parametrisierung abweichenden
Steigung sichtbar werden.
Die nur ungefähr bekannte absolute Temperatur erschwert das Vergleichen von Leckstrommessungen,
die mit verschiedenen Kühlprotokollen aufgenommen wurden. Dies zeigt bereits eine
einfache Abschätzung mit Gleichung 4.5. Eine optimistische Abschätzung der Temperaturunsicherheit
von ±4 K bei 20 ◦ C resultiert in einer Unsicherheit im Leckstrom von 50%.
Experimentell wurde dies für die Standard-3T-Pixel eines mit 2·10 12 neq
cm 2 bestrahlten MIMOSA-15
untersucht. Dazu wurde der Leckstrom bei T = +23 ◦ C insgesamt 80mal aufgenommen. Die
Temperatur wurde nach der zweiten Strategie kontrolliert (Abschnitt 4.1.2). Die Sensoren wurden
vor der Messung bei T = +23 ◦ C sowohl auf T = +40 ◦ C geheizt, als auch auf T = 0 ◦ C
gekühlt, um systematische Abweichungen in der Temperaturkontrolle zu testen. Der daraus
ermittelte Fehler stellt eine Obergrenze dar für den Fall, dass das Kühlprotokoll nicht genau
definiert ist. Eine Mittelung über diese 80 Messungen ergab einen Leckstrom von (43 ± 6) fA.
Dies entspricht einer Unsicherheit von 15%.
Werden die Messungen dagegen unter strenger Einhaltung des Kühlprotokolls durchgeführt,
lässt sich diese Unsicherheit deutlich verkleinern. Allerdings lassen sich diese dann wiederum
nur mit der größeren Unsicherheit mit anderen Messungen vergleichen.
Um die bestmögliche Reproduzierbarkeit des Leckstromes und damit der Temperatur zu demonstrieren,
wurden zwölf Leckstrommessungen mit MIMOSA-15 in kurzem zeitlichen Abstand
durchgeführt, um auch eventuelle Ausheileffekte auszuschließen. Es wurde ein über alle zwölf
Messungen gemittelter Leckstrom von (51,5±0,4) fA gemessen. Die unter diesen Bedingungen
ermittelte Unsicherheit beträgt < 1%.
Eine weitere Obergrenze für die systematischen Fehler ergibt sich aus der Ausheilstudie, die in
Abschnitt 5.2.1 ausgeführt werden wird. In dieser wird festgestellt werden, dass Ausheilungseffekte
bei mit Neutronen bestrahlten Sensoren nach einem Jahr bei Raumtemperatur und bei
einer Messtemperatur von −20 ◦ C in der gleichen Größenordnung sind wie die systematische
Unsicherheit.