NNV20161004EH-016-NNV-61-fr

Met nano-silicium
ontdekken wij
de atto-wereld
Erik H.M. Heijne
CERN – PH Dept. CH 1211
Geneva 23
Institute for Experimental and
Applied Physics of the Czech
Technical University in Prague
Nikhef Amsterdam
[email protected]
1 of 53
Groter en Kleiner
wat is atto?
1 meter
ATTO
MILLI
MICRO
nano is halfweg atto
GIGA
NANO
10-9
TERA
PICO
PETA
FEMTO
10+18
EXA
ATTO
10-18
10+21 ZETTA
ZEPTO
10+24 YOTTA
YOCTO 10-24
1 am
de rol van elektronen, elektrische geleiding
Isolatoren: alle electronen gebonden
keramische materialen, glas, ...
Geleiders: vol vrije electronen
metalen: koper, aluminium, ijzer, ...
Halfgeleiders:
minder of meer electronen en ‘gaten’
silicium, germanium, ...
Variatie concentratie van ladingsdragers ni
ni2= n.p= konstant
n elektronen
p gaten
hangt af van
bandgap en temperatuur
bij kamertemp
Si ni2=2.6 x1020cm-3
6-8 ordes v grootte
met n=1013 cm-3
gaten slechts
p=107 cm-3
GaAs ni2=1.2 x1014cm-3
volgens Sze
Physics of semiconductor devices
Wiley
Kun je elementaire deeltjes zien?
het deeltje zelf niet, maar wel het spoor
omdat energie wordt afgegeven in materie
moet wel een handig materiaal kiezen als detector
gas: Geiger-Müller, nevelkamer, dradenkamer, ..
vloeistof: bellenvat, argon-ionisatiekamer, ..
vaste stof: film, scintillator, halfgeleider, ..
het signaal:zwarting, belletjes, licht, elektrische puls
Lichtgevoelige Emulsie als Detektor (>1945)
gelatine film
3D, sub-µm precisie
met AgBr
verval van ‘charm’ deeltje
Photon exp.WA59 ~ 1985
50 µm
500 µm
Lichtgevoelige Emulsie als Detektor (>1945)
gelatine film
3D, sub-µm precisie
met AgBr
verval van ‘charm’ deeltje
Photon exp.WA59 ~ 1985
50 µm
opeenvolgende ionizerende overdrachten van energie (~5keV)
creëren latent beeld van zilverkorrels, zichtbaar na ontwikkelbad
500 µm
Lichtgevoelige Emulsie als Detektor (>1945)
gelatine film
3D, sub-µm precisie
met AgBr
verval van ‘charm’ deeltje
Photon exp.WA59 ~ 1985
50 µm
opeenvolgende ionizerende overdrachten van energie (~5keV)
creëren latent beeld van zilverkorrels, zichtbaar na ontwikkelbad
500 µm
afstand ~50µm met lichtsnelheid 3x108m/s = 3x1014µm/s dus t=1.6x10-13 s
Bellenvat foto met ‘delta’ straling
vloeibaar waterstof
Magneetveld aan
Bundel
---->
INTERACTIES geven
secundaire deeltjes
met rechte banen, duidend
op hoge impuls
daar omheen ziet men vele secundaire electronen, aangeduid als
‘delta’ elektronen, met tamelijk lage impulsen.
Deze krullen rond in het magneet, wanneer z hun energie verliezen in de
vloeistof van het bellenvat.
Big European Bubble Chamber BEBC
BEBC Bellenvat
Neutrino Interactie
precisie van de banen~ 1mm
hele volume is gevoelig --->
meten van impulsen
belangrijkste apparaat tot ~ 1985
Hoe korter de golflengte, hoe groter de imager
30 m
microscoop
zichtbaar licht
fotons ~1eV
afmeting 30 cm
µm objecten
TEM transmissie
electron microscoop
electron bundel ~100 keV
afmeting 3 m
Å objecten
'attoscope' CERN
met protonen 7 TeV
30 m + 30 km ring
atto meter objecten
13 of 53
apparaten steeds groter,
deeltjes steeds kleiner
Atlas event Higgs --> twee-fotons
Event display of a candidate diphoton event where both photon candidates are
unconverted. The event number is 86694500, recorded in run 191426. The
leading photon has ET=64.2 GeV and h=-0.34. The subleading photon has
ET=61.4 GeV and h=-0.61. Measured diphoton mass is 126.6 GeV. The pT and
pTt of the diphoton are 6.1 GeV and 5.4 GeV, respectively. Only reconstructed
tracks with pT > 1 GeV, hits in the pixel and SCT layers and TRT hits with a high
threshold are shown.
MICRO ELEKTRONICA
NANO ELEKTRONICA
ATTO WERELD
(via deeltjesfysika)
H
Hoe zit dat met massa?
H
 and gluons
have no mass
mass scale, not diameter
source: CMS
17 of 53
Hoe moet je je de ‘Big Bang’ voorstellen?
het is ondenkbaar, alle energie in het heelal was
opgekropt in één punt
dan is opeens het transformeren begonnen
na 10-xx seconde begon massa te ontstaan
sindsdien is alles aan het uitzetten en afkoelen
en wordt nog steeds energie omgezet in massa
bedenk wel dat de materie die wij zien, praktisch leeg is
alleen de lichte elektronen bepalen grootte atomen (~0.1nm)
de kernen (~fm) met massa zijn maar 0.00000000000001 % van het volume
Periodiek Systeem volgens “Standard Model”
Krachten en Fundamentele Deeltjes
Er blijven veel vragen:
source: Fermilab
waarom nu juist 3 generaties
waar zijn de originele anti-deeltjes gebleven
waar past hierin de zwaartekracht
.....en nog veel meer
19 of 53
PERIODIC TABLE
ELEMENTAL
COMPOUNDS
also:
HgI2
(AgCl)
etc.
Eénkristal van halfgeleider - silicium
Silicium
Imagination and Innovation
- gevoelig voor zichtbaar licht (CCD, CMOS kamera)
- ook voor allerlei andere straling (>1.12 eV bandgap)
lage Z, niet efficient voor  >10keV
- regelbare geleiding over 10 ordes (x1010)
- oppervlakte-oxide heeft een hoge impedantie/isolatie
~1955 Bell, 1959 Planair(Hoerni-Fairchild), 1970 LOCOS( Kooi,Philips)
Elektronica: spelen met elektronen
vanaf ~1900 in vaküum buizen
in 1948 halfgeleider transistor
eerst germanium, later silicium...
STONE AGE IRON AGE SILICON AGE
STONE AGE
BRONZE AGE
IRON AGE
SILICON AGE
Silicon single crystal growing
Increase of wafer diameter 3/4” - 450mm
1955-2015
coming 2016?
MOS Technologie METAL – OXIDE – SILICON
de fundametele componenten:
* MOS condensator
CCD imager matrix
'beeldopnemer'
* p – n diode
CMOS imager matrix
* diverse transistors
weerstanden met beperkte waardes in dunne metaal-lagen
SILICON MOS TRANSISTOR
SiO2 gate 2.75 nm
2 µm TECHNOLOGY 1982
0.016 µm 2007
SILICON MOS TRANSISTOR
CORRECT SCALE
SiO2 gate 2.75 nm
2 µm TECHNOLOGY 1982
0.016 µm 2007
SCHEMATIC of DIODE
OXIDE
EDGE
FRONT SIDE METAL CONTACT
p-TYPE IMPLANTATION
p-n JUNCTION
xD
DEPLETION REGION
n-TYPE BULK
DRIFT
DIFFUSION
REAR SIDE METAL CONTACT
CAN BE LARGE, BECAUSE HIGH RESISTIVITY of BULK Si
SILICON DIODE DETECTORS
IONIZING PARTICLE
LOCALIZED SIGNAL
p-IMPLANT
+
DIODE STRUCTURE not to scale
ARRAY of ADJACENT DIODES
NO INSENSITIVE VOLUME
p-IMPLANT
p-IMPLANT
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
+
+
-+
-+
-+
-+
+
-+
+
3V
BULK
n-TYPE
Een halfgeleider-volume/diode als detektor
Een ioniserend deeltje verliest energie, die maakt
elektronen ‘e’/ gaten ‘h’ los
zodat er een signaal kan worden geïnduceerd op
elektrodes aan de buitenkant van de diode
Dankzij een aangelegd elektrisch veld
vliegen vrijgemaakte ladingen met hoge snelheid
zie volgende snelheids grafiek voor e en h
CARRIER TRANSPORT in Si and GaAs
CARRIER DRIFT VELOCITY
vs FIELD
SATURATION vs TEMP
MOBILITY is a function of doping, temp, field..
SEMICONDUCTOR DETECTORS ARE INHERENTLY FAST : 5 - 20 ns
CARRIER TRANSPORT in Si and GaAs
CARRIER DRIFT VELOCITY
vs FIELD
SATURATION vs TEMP
100km/s
MOBILITY is a function of doping, temp, field..
SEMICONDUCTOR DETECTORS ARE INHERENTLY FAST : 5 - 20 ns
Twee soorten Si detektoren
Si Microstrip Detectors
can cover larger area
Si Pixel Detectors
for highest densities
Linear array
diodes 2-15 cm
depleted bulk ~300µm
2D pixel matrix with bumps
diodes 30µm – 500µm
depleted bulk ~150µm
500µm
30mm
@2014 IEEE International Solid State Citrcuits Conference
pitch
75µm
1.3: How Chips Pave the Road to the Higgs Particle and the Attoworld Beyond
33 of 53
DIODE SEGMENTATION
1980
CERN / ENERTEC
100 x 4000umx200um
~1965
PHILIPS
100 x 1370umx1370um
~2000
CERN / MEDIPIX
65000 x 55umx55um
Silicium is nu overal in de LHC detektors
Speciale Chips (ASICs) voor alle sub-systems
Si sensors in de binnenste schillen:
Pixels (2D) en Microstrip (1D) in meerdere lagen
Groot aantal sensor elementen: veel chips
Teams ontwerpen onze ASICs zelf, niet in industrie
Ondanks ‘kleine’ aantallen, toch essentieel:
volume, compacte functies, locaal geheugen
Simulaties moeten zorgen dat chip meteen goed is
35 of 53
Si Microstrip Sensors en CMOS Uitlees Chips
300 µm
~10 cm
Fully depleted Si Sensor
divided in parallel strips:
“Microstrip Detector”
Individual readout chain
for each segment
Signal ~20 000 e-h pairs
36 of 53
Si Microstrip Sensors en CMOS Uitlees Chips
300 µm
Typical signal
one particle
~10 cm
Fully depleted Si Sensor
divided in parallel strips:
“Microstrip Detector”
Individual readout chain
for each segment
Signal ~20 000 e-h pairs
37 of 53
CMS Silicon Tracker
HALF- BARREL
Inner barrel half-module
under construction
Si-sensors and chips
source: CERN- CMS
@2014 IEEE International Solid State Citrcuits Conference
1.3: How Chips Pave the Road to the Higgs Particle and the Attoworld Beyond
38 of 53
CMS Silicon Tracker
Forward wheel
Si-sensors and chips
Barrel
source: CERN- CMS
39 of 53
Monteren van CMS Si tracking detektor
Muon Detektoren
Muon Detektoren
Calorimeter
Si Tracker
personen
personen
source: CERN- CMS
40 of 53
Detector Bestaat uit Schilllen : e.g. ATLAS
Drawing Nikhef
41 of 53
Enkele ASICs in ATLAS
muon chambers
e-CAL
pixel
detector
beam pipe
h-CAL
TRT
Si strip
tracker
ASD muon det
148 000 chips
ASDBLR TRT det
38 000 chips
Chips to scale 1 cm
FE-I3 pix det
28 000 chips
80 M segments
1.7 m2 Si sensor
ABCD Si det
50 000 chips
6 M segments
60 m2 Si sensor
DTMROC TRT det
19 000 chips
Totaal ATLAS
100 million sensor cells
appr. 800 000 chips
majority ASICs
42 of 53
Hoe verder met al die signalen?
Wat gebeurt er met al die metingen?
3 functionel schillen
Custom, Radhard
PetaBytes
Custom and FPGA
In Cavern
Ground Level
AboGround level
COTS computers,
networking
GigaBytes
COTS Modules
44 of 53
Trigger & Data AcQuisitie
Plus several floors full of PCs
Nog iets over pixel detektoren
Hybride pixel detektor Medipix2
SEM fotos gemaakt door
MCNC-RDI, DURHAM NC - USA
PITCH 55 µm
MEDIPIX2 CERN 2001
CAMPBELL & LLOPART
256 kolommen x 256 rijen
pixel 55µm x 55 µm
Silicon Pixels in Particle Physics Experiments
Developed for high densities and high rates of ionizing particles in LHC
Segmented Si sensors achieve best possible particle tracking precison
(only photographic emulsion can do better, but is not electronic)
ATLAS pixel FE-I3 basic cell
Spin-Off Project/Demo
Timepix basic cell
50um x 400µm
0.25µm CMOS
55 µm
Readout matrix
Sensor matrix
300 µm
Si sensor matrix is connected
by matrix of solder bonds to ASIC
55 µm
Layout of a pixel cell
55umx55um, 500 transistors
14mm chip has matrix of 256x256
48 of 53
ATLAS binnenste Si pixel lagen
source: CERN- ATLAS
49 of 53
Oefeningen op Woensdag
met Medipix/Timepix detektoren
nano-'emulsie'/'bellenvat' : de TIMEPIX USB
voeding en gebruik direkt vanaf een PC of MAC
PIXELMAN SOFTWARE
Praag IEAP-CTU
Radiation imager for schools
with educational kit
CERN Timepix inside
http://ardent.web.cern.ch/ardent/ardent.php
Dosimetry at the Int Space Station ISS
units
µG/min
TIMEPIX CHIP as SILICON 'EMULSION' or 'BUBBLE CHAMBER'
H6 PION BEAM 2007
INCIDENT from RIGHT
BEAM
WHICH DIRECTION of TRAILS ?
FRAME T3-1506
with John Idarraga / Montréal
now
LAL
54
T3-1500
TYPICAL TRAILS ...
T3-1504
T3-1507
55
Pixel chips for dosimetry in Int Space Station ISS
AMS largest experiment....
Pixel chip maybe smallest
Dosimetry at the Int Space Station ISS
4s Timepix exposure
taken in ISS
passing through SAA
South America Anomaly
TIMEPIX CELL LAYOUT
DESIGNER
Xavier LLOPART
CERN
PhD Thesis p. 107
1. PREAMPLIFIER CSA
2. THRESHOLD, 4-BIT
TUNING
3. 8-BIT CONF REGISTER
4. REF_CLK & SYNCHR
LOGIC
5. 14-BIT COUNTER
58
TIMEPIX electronische schema 2007
gebaseerd op MPX2-MXR met erbij een
klokdistributie REF_CLK -> 100 MHz
59
TIMEPIX operatie
100 MHz
MODE : ToA aankomst moment
MODE : TOT 'TIME over THRESHOLD'
meting van signaal-amplitude
Besluit