Silicon Drift Detektor

Bauelement

Silizium-Drift-Detektoren (SDDs) sind abgeleitet vom Prinzip der Seitwärtsverarmung. Ein Volumen eines hochohmigen Halbleiters, in unserem Fall n-Typ Silicium, wird von p-dotierten Gebieten auf beiden Oberflächen bedeckt. Ein kleiner, gegenüber den p-Bereichen in Sperrrichtung gepolter Substratkontakt verarmt das Si-Volumen. In einem SDD sind die p-Gebiete so segmentiert und vorgespannt, dass sie ein elektrisches Feld mit einer starken Komponente parallel zur Oberfläche erzeugen. Signalelektronen, die durch die Absorption ionisierender Strahlung im verarmten Volumen generiert werden, driften zum Substratkontakt, der als Sammelanode wirkt. Aufgrund der kleinen geometrischen Ausdehnung der Anode hat ihre Kapazität einen kleinen, von der Detektorfläche nahezu unabhängigen Wert. Verglichen mit einer konventionellen Diode derselben Fläche führt diese Eigenschaft zu einer größeren Amplitude und einer kürzeren Anstiegszeit des Ausgangssignals.

Ursprünglich wurden SDDs als positionsempfindliche Detektoren in der Teilchenphysik entwickelt und eingesetzt, wobei der Wechselwirkungspunkt des Teilchens aus der Driftzeit der Signalelektronen rekonstruiert wird.

Silizium-Drift-Detektoren für Spektroskopie

Im Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft (MPG HLL) wurde ein SDD-Design speziell für die Anforderungen der Röntgenstrahl- und Teilchenspektroskopie entwickelt. In dieser Ausführung sind die Strukturen für die Driftfelderzeugung und die Sammelanode auf einer Seite des Bauelements angeordnet, während eine unstrukturierte Diode als dünnes, homogenes Strahleneintrittsfenster die gegenüberliegende Oberfläche bedeckt (Abb. 1, 2). SDDs dieses Typs vereinen eine große empfindliche Fläche und einen kleinen Wert der Kapazität der Ausleseanode. Um die Vorteile der kleinen Kapazität voll auszunutzen, ist der erste Transistor der Verstärkerelektronik auf dem Detektorchip integriert. Die Integration des Transistors minimiert die Streukapazität der Verbindung zwischen Sensor und Verstärker. Sie garantiert eine hervorragende spektroskopische Auflösung und den Betrieb bei extrem hohen Signalraten von mehr als 105 pro Sekunde. Darüber hinaus macht sie den Detektor weitgehend unempfindlich gegenüber elektronischen und mechanischen Störeinflüssen. Die hochwertige Prozesstechnologie am MPG-HLL resultiert in sehr geringen Dunkelströmen, die den Betrieb des SDDs bei Raumtemperatur oder mit moderater Kühlung ermöglichen. Da das Volumen des SDDs vollständig verarmt ist und durch das unstrukturierte, dünne Eingangsfenster auf der Rückseite bestrahlt wird, besitzt er eine hohe Quanteneffizienz und ein gutes Niederenergieverhalten.

Das SDD-Konzept ist sehr flexibel in Form und Größe. Das KDK-Experiment verwendet z.B. eine Detektorzelle mit einer aktiven Fläche von 1 cm². Um noch größere Sensoren bereitzustellen, wird in Mehrkanal-SDDs eine große empfindliche Fläche mit der Energieauflösung und der Zählratenfähigkeit eines einzelnen SDDs kombiniert. Darunter versteht man eine monolithische, lückenlose Anordnung mehrerer SDDs mit individueller Auslese, aber mit gemeinsamer Spannungsversorgung und Schutzringstruktur, sowie einem großflächigen Eintrittsfenster. So ist z.B. der Elektronendetektor des TRISTAN-Experiments am KIT ein Mehrkanal-SDD mit 166 Zellen und einer gesamten Sensorfläche von fast 12 cm².

SDDs sind in einer Vielzahl wissenschaftlicher Experimente und kommerzieller Systeme zu finden. Mit ihrer Zählratenfähigkeit setzen sie neue Randbedingungen für die Elektronenmikroanalyse. Die Tatsache, dass SDDs keine teure und umständliche Kühlung durch flüssigen Stickstoff benötigen, initiierte neue Anwendungen in der Röntgenspektroskopie. In Kombination mit einer Mikrofokus-Röntgenröhre bildet der SDD ein kompaktes, tragbares Spektrometer für RFA-Messungen im Feld, d.h. unabhängig von der Laborinfrastruktur, entwickelt für den Einsatz in der Archäometrie. Die ESA-Kometenlandemission ROSETTA sowie die 2003 von der NASA gestarteten Mars Exploration Rover Spirit und Opportunity sind mit einem Alpha-Protonen-Röntgen-Spektrometer (APXS) für die PIXE-Analyse (particle induced X-ray emission) von Gesteinsproben ausgestattet, das ebenfalls einen SDD verwendet.

Schematische Darstellung eines zylinder-symmetrischen Silizium-Drift-Detektors. Signalelektronen driften im elektrischen Feld in Richtung der klein dimensionierten Sammelanode und des integrierten Verstärkertransistors im Zentrum des Bauelements.

Abbildung 1

Schematische Darstellung eines zylinder-symmetrischen Silizium-Drift-Detektors. Signalelektronen driften im elektrischen Feld in Richtung der klein dimensionierten Sammelanode und des integrierten Verstärkertransistors im Zentrum des Bauelements.

Simuliertes Elektronenpotential eines zylinder-symmetrischen Silizium-Drift-Detektors im Betrieb. Die Abbildung zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Oberfläche durch die Mitte des Bauelements. Die Pfeile geben die Bahnen der zur Anode driftenden Elektronen wieder.

Abbildung 2

Simuliertes Elektronenpotential eines zylinder-symmetrischen Silizium-Drift-Detektors im Betrieb. Die Abbildung zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Oberfläche durch die Mitte des Bauelements. Die Pfeile geben die Bahnen der zur Anode driftenden Elektronen wieder.

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