Waarom silicium ?

In een halfgeleider kunnen vrije ladingsdragers geproduceerd worden ten gevolge van een energiedepositie. Als een relativistisch geladen deeltje door materie gaat, verliest het deeltje energie door ionisatie van de atomen in het materiaal. Het gevolg is de creatie van elektron-gatparen in de halfgeleider. Hierop rust het detectieprincipe: Door een spanning over het silicium aan te leggen wordt voorkomen dat deze elektron-gatparen direct recombineren. De elektronen en de gaten worden uit elkaar getrokken en veroorzaken een meetbare stroom.

Als een 0,3 mm dik siliciumkristal wordt gebruikt, bestaat het signaal slechts uit ongeveer 25.000 elektronen. Omdat zelfs in het zuiverste silicium nog verontreinigingen aanwezig zijn die vrije ladingsdragers genereren, zou het signaal in de achtergrond verdwijnen. Om de achtergrondstroom te beperken wordt daarom een diodestruktuur aangebracht (een overgang tussen P-type en N-type silicium) waarbij de spanning zo aangelegd wordt dat de diode in sperrichting staat.

Door struktuur aan te brengen in het oppervlak van de diode wordt de lading gefocusseerd. Zo onstaat de micro strip detector: Op een silicium wafer (N-type) worden centimeters lange strips geïmplanteerd (P-type) die een breedte hebben van enkele 10-tallen micrometers. Doordat de lading soms over meerdere strips wordt verdeeld, kan een positieresolutie worden bereikt van 5 to 10 micrometer!

Het meetprincipe is schematisch weergegeven in figuur 2.

Het voordeel van silicium boven andere halfgeleider materialen is onder andere de sterk ontwikkelde chiptechnologie. De productie van de microstrip detector heeft zeer grote overeenkomsten met de productie van een chip. In verreweg de meeste gevallen wordt op een 4-inch wafer via lithografie een strippatroon gemaakt. Als laatste wordt uit één wafer een rechthoekige sensor gezaagd. Deze sensor mag geen fouten bevatten, in tegenstelling tot de chipindustrie waar uit één wafer wel tot 100 chips worden gezaagd waarvan soms de helft wordt afgekeurd. Tegenwoordig is het mogelijk om kristallen te groeien met een doorsnede van wel 8 inch.

Figuur 2: Een silicium stripsensor met een dikte van 0.3 mm. De diodestruktuur wordt gemaakt door het implanteren van P-strips op een N-type laag. De gaten (schijnbaar positief) volgen de veldlijnen naar de geïmplanteerde strips. Om de lading via een condensator naar de voorversterker te kunnen voeren, wordt een oxidelaag aangebracht met daarop aluminium elektrodes. Door gebruik te maken van capacatieve koppeling wordt de lading die op een tussenstrip wordt verzameld uiteindelijk ook op de uitleesstrips waargenomen. Experimenteel is aangetoond dat met uitleesstrips iedere 120 micrometer een resolutie kan worden bereikt van 7 micrometer!