DEPFET-Detektoren
Als konsequenteste Anwendung des Prinzips der seitlichen Verarmung ist die kombinierte Detektor-Verstärker-Struktur DEPFET eines der fortschrittlichsten Konzepte im MPG HLL Portfolio. DEPFET-Strukturen können als Bausteine für eine Vielzahl von unterschiedlichen Bauelementen verwendet werden, die von optischen Photonensensoren bis hin zu Röntgenbildgebern und Partikel-Trackern reichen. Aufgrund ihrer extrem niedrigen Detektorkapazität weisen sie ein hervorragendes Signal-Rausch-Verhältnis und eine hohe Energieauflösung auf. Derzeit werden DEPFET-basierte aktive Pixeldetektoren für die Röntgenastronomie und -mikroskopie, die Planetologie, die Materialwissenschaft und die Teilchenphysik entwickelt.
Im Gegensatz zu CCDs verfügt ein aktiver Pixelsensor über einen integrierten Verstärker in jedem Pixel, der eine in-situ-Ladungsverstärkung ermöglicht. Die DEPFET-Struktur kombiniert die Merkmale aktiver Pixelsensoren, d. h. schnelles, rauscharmes Auslesen mit wahlfreiem Leseverfahren, mit den Vorteilen eines seitlich verarmten Bauelements, d. h. vollständige Verarmung und großes empfindliches Volumen.
Der Begriff DEPFET (depleted p-channel field effect transistor, verarmter p-Kanal-Feldeffekttransistor) bezieht sich auf eine Struktur, die aus einem p-Kanal-Feldeffekttransistor besteht, der auf der Oberfläche eines n-Typ-Silizium-Bulk mit hohem spezifischen Widerstand integriert ist.
Durch Anwendung des Prinzips der seitlichen Verarmung kann der Bulk vollständig verarmt werden, und durch Anlegen geeigneter Potentiale kann ein Potentialminimum für Elektronen erzeugt werden, dass sich unterhalb des Kanals des FETs befindet. Ladungsträger innerhalb dieses Potentialminimums influenzieren zusätzliche Ladungsträger im Transistorkanal und verändern somit dessen elektrische Leitfähigkeit. Folglich hat das Vorhandensein von Ladung im Potenzialminimum die gleiche Wirkung wie das Vorhandensein von Ladung auf dem Transistorgate. Daher kann das Potenzialminimum als internes Gate betrachtet werden, während das "klassische" Gate eines DEPFETs zur Unterscheidung als externes Gate bezeichnet wird. Wenn einfallende ionisierende Strahlung Elektron-Loch-Paare im vollständig verarmten Siliziumvolumen erzeugt, werden die Ladungsträger durch das elektrische Feld getrennt. Während die Löcher zum p+-Kontakt auf der Rückseite driften, werden die Elektronen im nächstgelegenen Potenzialminimum, d. h. dem internen Gate, gesammelt. Die daraus resultierende Änderung der Kanalleitfähigkeit kann genutzt werden, um das Vorhandensein von Ladung im entsprechenden internen Gate zu erfassen, nachdem sie in ein Spannungs- oder Stromsignal umgewandelt wurde. Auf diese Weise funktioniert eine DEPFET-Struktur als Detektor für ionisierende Strahlung. Das Signal kann entweder direkt gewonnen werden, indem der DEPFET kontinuierlich beobachtet wird und das Eintreffen der Ladung in Echtzeit erfasst wird. Alternativ kann auch eine On-Demand-Messung durchgeführt werden. Dabei wird die Differenz des Signals vor und nach dem Entfernen der Ladung aus dem internen Gate aufgezeichnet. Die Ladung wird durch eine so genannte Clear-Struktur entfernt, die als schaltbare Elektronensenke dient. Der letztgenannte Modus ist besonders nützlich, wenn großflächige Sensoren aus Arrays von DEPFET-Zellen aufgebaut werden. Da das interne Gate unabhängig vom Vorhandensein eines Transistorstroms bestehen bleibt, kann jeweils nur eine Reihe von Transistoren innerhalb des Pixelarrays eingeschaltet werden und deren Signale mit der beschriebenen Differenzmethode ausgelesen werden. Der Vorgang wird für alle Matrixzeilen wiederholt. Auf diese Weise ist die Zusammenschaltung von Pixeln möglich, da sich viele Transistoren einen gemeinsamen Auslesekontakt teilen können.
Die Merkmale von DEPFET-basierten Detektoren sind zahlreich. Wie pnCCDs und andere rückseitig beleuchtete Detektoren werden DEPFET-basierte Bauelemente in ein vollständig verarmtes Siliziumsubstrat integriert. Dadurch entsteht ein Eintrittsfenster mit optimaler Quanteneffizienz und einem Füllfaktor von 100 %.
Eine extrem niedrige interne Gate-Kapazität sorgt für ein geringes Rauschen des gesamten Detektorsystems. Anders als bei einer CCD wird die Ladung in jedem Pixel vor Ort gespeichert und verstärkt, so dass kein Ladungstransfer erforderlich ist. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Strahlungshärte, die Verringerung der Totzeit, die Vermeidung von „out of time events“, die schnelle Auslesefähigkeit und die Verringerung der Pile-Up-Wahrscheinlichkeit aus. Da nur die Pixel eingeschaltet werden, die gerade ausgelesen werden, ist der Gesamtstromverbrauch des Sensors gering. Darüber hinaus sind DEPFET-Sensoren sehr flächeneffizient, da kein Bildspeicherbereich benötigt wird. Optional können Fensterung oder spärliche Auslesung leicht implementiert werden.
DEPFETs können verschiedene Topologien und Formen haben. Da sie auf seitlicher Verarmung basieren, können DEPFETs als Auslesestruktur für viele Arten von vollständig verarmten Bauelementen, z. B. Driftdetektoren, verwendet werden. Auf diese Weise wurden DEPFET-Pixelgrößen von 20 μm mal 20 μm bis zu etwa einem Quadratzentimeter realisiert.
Das DEPFET-Konzept ist sehr flexibel und dient als Plattform für eine Vielzahl neuer Bauelemente und innovativer Detektorkonzepte, die den DEPFET als Sensorelement nutzen.
