1. Seminararbeit:
Pixel Chips – ein Überblick
Teilchenphysik und alternative Anwendungen
Ali Ikinci
Januar 2006
Universität Mannheim
Lehrstuhl für Schaltungstechnik und Simulation
Prof. Dr. Peter Fischer
Betreuer: Dr. Ivan Peric
[1] Atlas Pixel Chip

2. Ali Ikinci Pixel Chips 2
Ziele der Teilchenphysik (HEP)
Vervollständigung und Erweiterung des
„Standardmodells“:
● Messung der Masse des Top-Quarks
● Entdeckung des im Standardmodell
postulierten Higgs-Bosons
● Entdeckung der Partnerteilchen aus der
Stringtheorie
● Entdeckung „Neuer Physik“ oberhalb einiger
TeV z.B. Supersymmetrie
● Was ist „dunkle Materie“
→ Experimente mit Teilchenbeschleunigern:
● Untersuchung von Teilchenkollisionen
● Identifizierung der Zerfallsteilchen
● Bestimmung deren Masse und Ladung durch
die Energie und Impulsmessung
● Rekonstruktion von Ereignissen
[2] Simulation einer Proton-Proton Kollision am LHC

3. Ali Ikinci Pixel Chips 3
Teilchenkollision mit Zerfallsteilchen
E=?, p=?
E=?, p=?
E=?, p=?
E=?, p=?
E=7TeV, proton
E=7TeV, proton
Zerfallsteilchen
Schema einer Protonenkollision

4. Ali Ikinci Pixel Chips 4
Impuls- und Energiemessung
Negativ
geladen,
kleiner
Impuls
Positiv
geladen,
grosser
Impuls
Keine
Ladung,
hohe
Energie
Hohe
Energie
Spurendetektor
Kalorimeter
Magnetfeld
Schema einer Impuls- und
Engeriemessung von Teilchen

5. Ali Ikinci Pixel Chips 5
Leistungsfähigster und grösster
Teilchenbeschleuniger der Welt am CERN in
GENF:
● 100 m unter der Erdoberfläche
● ~27km Umfang
● Magnetfeld bis max. 9 T erzeugt durch ein
27km langen supraleitenden Magneten
● Kollision von Protonen und Schwerionen
● Kollisionsrate von 40 MHz
● internationale Kooperation von 34 Ländern
● Vier Experimente mit teilweise verschiedenen
Zielsetzungen
● Vor. Inbetriebnahme 2007
Large Hadron Collider (LHC)
[2] LHC – Schema
[2] Die vier grossen Versuche des LHC

6. Ali Ikinci Pixel Chips 6
ATLAS - A Toroidal LHC AparatuS
● 40 m lang, 22 m hoch
● Jede Schicht hat eine andere Aufgabe
● Innerer Detektor – Detektion der Teilchenspuren
● Kalorimeter – Messung der Teilchenenergien
● Myondetektoren – Detektion der Myonen
● Starke Magnete sorgen für die Ablenkung geladener
Teilchen
[3] Simulation einer Kollision
[4] ATLAS – Ansicht der Baustelle von November 2005

7. Ali Ikinci Pixel Chips 7
ATLAS - Überblick
Inner Detector
Solenoid Magnet
Toroid Magnet
Muon Detector
Calorimeter
[3] ATLAS – Schematische Darstellung

8. Ali Ikinci Pixel Chips 8
ATLAS - Inner Detector
126 cm
30 cm
Barrel
Disks
Stave
[5] Inner Detector – Schematische Darstellung

9. Ali Ikinci Pixel Chips 9
Die Daube = Fassbrett (Stave)
Kühlrohr
Pixelchip
Kabel
Sensor
Detektormodul
Kontollchip (MCC)
[1] Foto einer Daube

10. Ali Ikinci Pixel Chips 10
Das Detektormodul
Folie mit
LeiterbahnenKontrollchip
(MCC)
Pixelchip
Stave support
FE-Chip FE-Chip
Siliziumsensor
Kontrollchip (MCC)
Detektormodul – Querschnitt
[1] Detektormodul – Schema
[6] Bump Bond

11. Ali Ikinci Pixel Chips 11
Der ATLAS Pixelsensor
● Hochohmiges n-dotiertes
Silizium bei Atlas
● Strukturiert auf der Oberseite
● n+ dotierte Elektroden auf der
Oberseite sammeln die
Elektronen
● n+ Elektroden sind durch die
Verarmung des niedrig dotierten
Bereichs zwischen ihnen isoliert
Sensormodul
16 Segmente
Sensorsegment
164x18 Pixels
Metallkontakt
n+ Elektrode
n-bulk
bump bond
p+ Elektrode
Teilchen
bias grid
[7] Aufbau des Pixelsensors – Schema

12. Ali Ikinci Pixel Chips 12
Der Hybride Pixeldetektor
FE-ChipSiliziumsensor Unsensitive Area
Pixel Matrix
Detektormodul – Unterseite
FE-Chip
Pixelzelle

13. Ali Ikinci Pixel Chips 13
Anforderungen an den Pixeldetektor
● Minimierung Pixelgröße → maximale räumliche Auflösung
● Extreme Strahlungshärte
● Weniger Material in Zwischenlagen → weniger
Vielfachstreuung
● Geringer Leistungsverbrauch → wenig Wärmeentwicklung
→ weniger Kühlung → weniger Material
● 100% hermetische Abdeckung des Raumes mit Sensoren
● Maximale Effizienz (So viele Teilespuren wie möglich
erfassen)
● Verstärkung, Filterung und Speicherung des Hits und des
Zeitstempels im Detektor
● Zeitstempel ist notwendig für spätere Triggerzuordnung
● Schneller Verstärker und Diskriminator → kleiner
„Timewalk“
Pixelgröße 50µm x 400µm
Auflösung 15µm x 115µm
Effizienz > 95%
Zeitauflösung < 20ns
Kollisionsrate 40MHz
Schwelle ~ 2000e
Gültiges Signal > 5000e
Rauschen 200e
Schwellenschwankung 200e
Betribstemperatur -7°C
Leistung/Pixel < 40µW
Spezifikation

14. Ali Ikinci Pixel Chips 14
Der ATLAS Pixel-Chip
● Größe: 7.4mm x 11mm
● Pixelgröße: 50µm x 400µm
● Pixelanzahl: 18x160 = 2880
● Technologie: 0.25µm (kommerziell
mit strahlungshartem Layout)
● 3.5 Mio. Transistoren
● 246 Wafers produziert (86%
Ausbeute)
[1] Atlas Pixel Chip

15. Ali Ikinci Pixel Chips 15
Pixelzelle (PUC) - Analogteil
● Ladungsabhängiger Verstärker, konvertiert Ladung in Spannung: 32mV/10000e
● Time Walk < 20ns
● Schwellwert bis 2000e
● Stromverbrauch ~30μW bei 1.6 V
● Dauer des Hit-Signals ist proportional zur Signalladung
Local threshold
DAC
Ladung
Sensor
Global Threshold
Schema des Analogteils
einer Pixelzelle

16. Ali Ikinci Pixel Chips 16
Ortsauflösung
-25µm 25µm
e
Fehler
Trefferfehler – theoretisch
-25µm 25µm
e
Fehler
Trefferfehler – single hit
-25µm 25µm
e
Fehler
Trefferfehler – double hit
300µm
Treffer auf Sensorelement
● Pixelgröße: 50x400µm
● Auflösung: 15x115µm

17. Ali Ikinci Pixel Chips 17
Timewalk
Timewalk
minimales Signal
maximales Signal
Ladung [e]
t [ns]
[7] Antwortzeit des ladungsabhängigen Verstärkers auf zwei verschiedene Eingangsladungen.
Timewalk

18. Ali Ikinci Pixel Chips 18
Tuning der Schwellwerte
[1] Pixelmatrix vor Tuning [1] Pixelmatrix nach Tuning
schwarz = 500e
weiss = 6000e
pixel threshold [e]
numberofpixels
[1] Schwellendispersion
untuned
tuned
● Schwellendispersion aufgrund von Bauteilschwankungen
● Externes Tuning der Schwellen über globale Schwellwerteinstellung
● Schwellendispersion σ vor Tuning ~ 1000 e
● Schwellendispersion σ nach Tuning ~ 100 e
σ
σ

19. Ali Ikinci Pixel Chips 19
Auslese der Informationen
● Protonenpakete kollidieren alle 25ns
● Mit bis zu 1000 geladenen Spuren pro Ereignis
● Alle Trefferdaten werden im Pixel zwischengespeichert
● Ein Trigger Signal startet die Auslese von interessanten
Ereignissen
● Nur ein Bruchteil sind interessante Ereignisse: 0,2 Prozent
● Latenz bis zum Eintreffen des Triggers: 3µs

20. SuS Vortrag Pixel Chips - Ali Ikinci 20
Erzeugung des Triggersignals
Treffer 1
in Puffer
Treffer 2
In Puffer
Trigger
für Treffer 2
startet Auslese
25 ns
Kalorimeter misst die Energie
Signalverarbeitung
Kollision
Interessante Kollision
Zeitskala
Verzögerung 3µs
Zeitlicher Ablauf
der Triggergenerierung

21. Ali Ikinci Pixel Chips 21
Datenverarbeitung
● 1) Ausleselektronik erzeugt „Hit“ Impuls.
Impulslänge ist proportional zur Eingangsladung.
Zeitmarken der steigenden und fallenden Flanke
werden in RAM Zellen gespeichert.
● 2) Synchron mit der fallenden Flanke wird ein Hit-
Flag gesetzt und ein schnelles Signal informiert den
Auslesekontroller (Column Control).
● 3) Der Auslesekontroller findet das Pixel mit dem
Treffer, lässt ihn seine Trefferdaten auf einen
Auslesbus legen und löscht das Flag.
● 4) Die Trefferdaten werden in den „End of Column“
Puffern gespeichert
● 5) Die Daten bleiben nur eine bestimmte Zeit im
Puffer. In einem Moment erwartet man das „Level 1“
Triggersignal. Falls das Signal da ist, werden die
Daten mit der Level 1 Identifikationsnummer
gekennzeichnet und zum Auslesen selektiert. Alle
Daten, die nicht mit Level 1 bestätigt sind, werden
gelöscht.
● 6) Erst wenn alle „älteren“ Trigger-Ereignisse
verarbeitet sind werden die Daten aus dem Puffer
gelesen und serialisiert.
Schema der digitalen
Datenverarbeitung auf dem FE-Chip

22. Ali Ikinci Pixel Chips 22
Digitales Röntgen
– Hybrider Pixeldetektor als digitales Röntgendetektor (Radiographie)
• Komplexe Signalverarbeitung in Pixel möglich (Photonenzähler oder
Ladungsintegrator)
• Freie Wahl von Sensormaterial (zb. CdTe)
– Vorteile zählender Detektoren
• Höhere Sensitivität gegenüber integrierenden Detektoren
• Perfekte Linearität
• Unendlicher Dynamikbereich
Schema eines integrierenden Detektors
Counter
Schema eines zählenden Detektors

23. Ali Ikinci Pixel Chips 23
Multi Picture Element Counters – MPEC
Abgeleitet aus dem Atlas Pixelchip – MPEC2.3
• Cadmium Tellurid (CdTe) Sensor
• 32 x 32 Pixels
• 200 µm x 200 µm pro Pixel
• Schwellendispersion = 21e
• 18 bit Zähler in jedem Pixel
• ~ 1 MHz
• Es gibt Module (CdTe & Si) mit 2x2 Chips (Bonn)
[1] Aufnahme einer Schraube mit unterschiedlichen Darstellungsschwellwerten

24. Ali Ikinci Pixel Chips 24
Herausforderungen in der Zukunft
von Pixeldetektoren
● Technische Herausforderungen
– Lower Power
– Weniger Material
– Höhere Strahlentoleranz
– Kleinere Pixel
● Praktische Herausforderungen
– Kosten von großen Chips
– Kosten und Komplexität neuer Prozesse

25. Ali Ikinci Pixel Chips 25
Monolithische Pixeldetektoren - eine
Alternative zu hybriden Detektoren
● Sensor und Elektronik auf einem Chip
– Monolithic Active Pixel Sensors (MAPS)
● DEPFET
● Vorteile:
– kein Bonding notwendig → günstiger
– weniger Material
– kleinere Pixel
● Nachteile:
– Ausleseelektronik kann nur sehr einfach sein (nur wenige Transistoren)
→ sehr langsame Auslese
– Nur Silizium → Röntgennachweis von hoher Energie problematisch

26. Ali Ikinci Pixel Chips 26
Zukunftstechnologien
● Brückenschlag zu anderen Gebieten
– Röntgenkameras in der Astronomie
– Medizinische Anwendungen
– Röntgenbildgebung

27. Ali Ikinci Pixel Chips 27
Zusammenfassung und Ausblick
● Keine Allgemeinlösung sondern immer
anwendungsspezifische Einzellösungen
● Die Zukunft von Pixeldetektoren ist
herausfordernd, vielversprechend und
spannend
● LHC ist nicht der letzte große
Teilchenbeschleuniger sondern ein Meilenstein
auf einem langen Weg
● Der ILC ist das nächste große Projekt

28. Ali Ikinci Pixel Chips 28
Literaturverzeichnis
[1] Universität Mannheim - Lehrstuhl für Schaltungstechnik und Simulation
http://sus.ti.uni-mannheim.de
[2] Bundesministerium für Bildung und Forschung http://www.weltderphysik.de
[3] Atlas public http://www.atlas.ch/atlas_photos/fulldetector/fulldetector.html
[4] Wikipedia – ATLAS
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5c/Atlas_November_2005.jpg
[5] P. Fischer, „Pixel Vertex Detectors, Today and Tomorrow“, Heidelberg 2002
[6] Leonardo Rossi, „ATLAS Pixel Detector Technical Design Report“, LHCC
Metting, Juli 1998
[7] I. Peric, „Design and Realisation of Integrated Circuits for the Readout of Pixel
Sensors in High-Energy Physics and Biomedical Imaging“, Dissertation 2004
[8] P. Fischer, M. Kouda, S. Krimmel, H. Krüger, M. Lindner, M. Löcker, G. Sato, T.
Takahashi, S. Watanabe, N. Wermes, „Single Photon X-Ray Imaging with Si- and
CdTe-Sensors“, 2004
[9] M.Trimpl, L.Andricek, P. Fischer, R. Kohrs, H. Krüger, G. Lutz, H.G.Moser, I.Peric,
L.Reuen, R.H.Richter, C. Sandow, L. Strüder, J.Treis, N.Wermes, "A DEPFET pixel
matrix system for the ILC vertex detector", 2004

29. Ali Ikinci Pixel Chips 29
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