Describes the field of modern semiconductor detectors used for energy and position measurement radiation. This book includes an introduction to semiconductor physics. It explains the principles of semiconductor radiation detectors, followed by formal quantitative analysis. It also covers electronic signal readout

Lutz, Gerhard

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Gerhard LutzSemiconductorRadiation DetectorsDevice PhysicsWith 167 Figures and ii TablesSpringerContentsIntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	1Part I: Semiconductor Physics 52 . Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1 Crystal Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 Energy Bands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3 intrinsic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.4 Extrinsic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.5 Carrier Transport in Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.5 .1 Drift . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.5.2 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 .5.3 Magnetic Field Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.6 Carrier Generation and Recombination in Semiconductors . . . . 212 .6 .1 Thermal Generation of Charge Carriers . . . . . . . . . . . . . . . 212.6.2 Generation of Charge Carriersby Electromagnetic Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 .6 .3 Generation by Charged Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 .6.4 Shape of a Radiation-Generated Charge Cloud . . . . . . . . 252 .6 .5 Multiplication Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 .6.6 Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.6.7 Charge-Carrier Lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.6 .8 Carrier Lifetime in Indirect Semiconductors . . . . . . . . . . . 312.7 Simultaneous Treatment o ¬ Carrier Generation and Transport 342.8 Summary and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373. Basic Semiconductor Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.1 The p-n Diode Junction . . . . . . . . . . . . . . . . 393.1.1 A p-n Diode in Thermal Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.1,2 A p-n Diode with Application of an External Voltage . 433.3. .3 A p-n. Diode Under Irradiation with Light . . . . . . . . . . . 463.1 .4 Capacitance-Voltage Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.1.5 Breakdown Under Strong Reverse Bias . . . . . . . . 1-- 513.2 Metal-Semiconductor Contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56V111 Contents3.2.1	Current-Voltage Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.2.2 Ohnlic Contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.3 Metal--Insulator--Semiconductor Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.3.1 Thermal Equilibrium Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.3.2 The SiSi02 MOS Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.3.3 Capacitance--Voltage Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693.3.4 Nonequilibrium and a Return to Equilibrium . . . . . . . . . . 703.4 The n+-n or p*-p Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.5 Summary and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Part II: Semiconductor Detectors 774 . Semiconductors as Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . ., . . . . . . . . . 794.1 The Properties of Intrinsic Semiconductor Materials . . . . . . . . . . 794.2 Properties of Extrinsic Semiconductor Materials . . . . . . . . . . . . . 834.2.1 Doping of Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 844.2.2 Bulk Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864.2.3 Effects on Material Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.3 Insulators and Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.3.1 Insulator Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.3.2 Semiconductor Surface Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.3.3 Metal Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 904.4 Choice of Detector Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914.4.1 Interaction of Radiation with Semiconductors . . . . . . . . . 914.4.2 Charge Collection and Measurement Precision . . . . . . . . . 925 . Detectors for Energy and Radiation-Level Measurement . . . . . . . . . . . . . 955.1 Unbiased Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 955.2 Reverse-Biased Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1005 .2.1 Charge Collection and Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1025.2.2 Surface Barrier Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1055.2.3 p-n Junction Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1065 .3 Summary , . . ., . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1076 . Detectors for Position and Energy Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1096.1 Resistive Charge Division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1096.2 Diode Strip Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , ., . . . . 1106.2.1 Readout Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1126.2.2 Charge Collection and Measurement Accuracy . . . . . . . . 1 .146 .2 .3 Choice of Geometrical Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1156.3 Strip Detectors with Double-Sided Readout . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1166.4 Strip Detectorswith Integrated Capacitive Readout Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . 1206.5 Drift Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125Contents ix6.5.1	Linear Drift Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1276.5.2 Matrix Drift Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1326.5.3 Radial Drift Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1336.5.4 Single-Sided Structured Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1346.5.5 Readout of Drift Devices and Measurement Precision . . 1366.6 Charge Coupled Devices as Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1376.6.1 Three-Phase "Conventional" MOS CCDs . . . . . . . . . . : . . 1386.6.2 Linear and Matrix CCDs . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 1406.6.3 Charge Collection and Charge Transport . . . . . . . . . . . . . . 1406.6.4 Signal Readout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1436.6.5 Other Types of MOS CCDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1446.6.6 Fully Depleted p-az CCDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1446.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1517 . The Electronics of the Readout Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1537.1 Operating Principles of Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1537.1 .1. Bipolar Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . 1537.1.2 Junction Field Effect Transistors : . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . 1607.1 .3 Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors . 1657.1.4 Threshold Behavior of Unipolar Transistors . . . . . . . . . . . . 1757.1.5 The Different Types o£ JFETs and MOSFETs . . . . . . . . 1787.2 Noise Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1807.2 .1. Thermal Noise . . . . . . . . . . . . .. . . . ... . .1807.2.2 Low-Frequency Voltage Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.7.2.3 Shot Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1817.2.4 Noise in Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1827.3 The Measurement of Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1907.3 .1. The Charge-Sensitive Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1907.3.2 Noise in a Charge-Sensitive Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . 1917.3.3 Filtering and, Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1927.4 Basic Electronic Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1957.4.1 Current Sources and Mirrors ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1967.4.2 Inverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1977.4.3 Source Followers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2007.4.4 Cascade Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2017.4.5 Differential Amplifiers . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . .. . . . . . . . . 2027.5 Integrated Circuit Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 2027.5 .1 NMOS Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2037.5.2 CMOS Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2057.5.3 Bipolar Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2067.5.4 801 Technologies . . ., . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2067.5.5 Mixed Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2077.6 Integrated Circuits for Strip Detectors! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2077.7 Integrated Circuits for Pixel Detectors . . . ... . ., . . . . . . . . . . . . . . 2107.8 Noise in Strip Detectors -- Front-End Systems . . . . . . . . . . . . . . .. . 2117.8.1 Biasing Circuits . . . . . . . . . . . . . . . 1 :4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212X Contents7.8 .2	Noise in Biasing Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2167.8.3 Noise Correlations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2227.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2258 . The Integration of Detectors and Their Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . 2298 .1 Hybrid Systems of Detectors and Their Electronics . . . . . . . . . . . 2298.7. .1 Strip Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2298.1.2 Pixel Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2318.2 Detector-Technology-Compatible Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . 2339. Detectors with Intrinsic Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2399.1 Avalanche Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2399.2 Depleted Field Effect Transistor Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2439.2.1 Depleted p-ChannelMOS Field Effect Transistor (DEPMOSFET) . . . . . . . . 2449.2.2 Electrical Properties and Device Schematics . . . . . . . . . . . 2479.2.3 Other Types of DEPFET Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . 2519.2.4 DEPFET Properties and Applications . . . . . . . . . . . . . . . 2539.3 DEPFET Pixel Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2549 .3 .1 DEPFET Pixel Detector with Random Access Readout 2549 .3.2 DEPFET Pixel Detector for Continuous Operation . . . . 2559.3.3 Hybrid DEPFET Pixel Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2579.3.4 DEPFET Pixel Detectorwith Three-Dimensional Analog Memory . . . . . . . . . . . . . . 25810. Detector Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25910.1. Production of Detector Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25910.2 Processing Sequence in Planar Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26010.2.1 Photolithographic Structuring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2617.0 .2 .2 Chemical Etching . . . . ..... . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26110 .2 .3 Doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2627.0 .2 .4 Oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26310.2 .5 Deposition from the Gas Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26310.2 .6 Metal Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2647.0 .2 .7 Thermal Treatments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26410.2.8 Passivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26510.3 Technology Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26611 . Device Stability and Radiation Hardness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26711 .7. Electrical Breakdown and Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26711 .1 .1 Breakdown Protection in Diode Strip Detectors . . . . . . . 26817. .1 .2 Breakdown Protection of the Detector Rim . . . . . . . . . . . 27311.2 Radiation Damage in Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27517 . .2 .1 The Formation o£ Primary Lattice Defects . . . . . . . . . . . . 276Contents XI11.2.2 Formation and Properties o£ Stable Defects . . . . . . . . . . . 27711.2.3 Electrical Properties o£ Defect Complexes . . . . . . . . . . . . . 27911.2.4 Effects of Defects on Detector Properties . . . . . . . . . . . . . . 28811.2.5 Annealing of Radiation Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29611.2.6 Reverse Annealing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30011.2.7 Parameterization of Radiation Damagefor Low-Flux Irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30111.3	Radiation Damage in the Surface Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30111.3.1 Oxide Damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30211.3.2 Nonuniformity in Bulls Damage Near the Surface . . . . . . 30311.4 Radiation Damage in Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30311.5 Radiation Damage in Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30711.6 Radiation Hardening Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30911.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31012 . Device Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31312.1 Mathematical Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33.312.1 .1 Poisson and Continuity Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31412.1.2 Deep-Level Defects in Stationary Situations . . . . . . . . . . . 31512.1.3 Quasi-Fermi Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31712.2 Numerical Solution of Stationary Situations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31912.2.1 Linearization of the Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32012.2.2 The Finite Difference Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32212.2.3 Example of a Stationary Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32712.3 Simulation o£ Time-Dependent Situations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330Part III: Reference Material 333Appendix A: Frequently Used Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335Appendix B: Physical Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341Books and Reviews . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341Articles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

Semiconductor radiation detectors: device physics

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