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Dokument Type: Doctoral Thesis
Title: Analysis of the charge collection process in solid state X-ray detectors
Analyse des Ladungssammlungsvorgangs in Halbleiter-Röntgendetektoren
Authors: Kimmel, Nils 
Institute: Fachbereich 7, Physik 
Free keywords: Bauelementephysik, Beweglichkeit <Physik>, Röntgenstrahlung, Charge-Coupled-Device, Radiation Detector, X-ray Astronomy, Synchrotron Radiation, Electron Mobility
Dewey Decimal Classification: 530 Physik
GHBS-Clases: UIGD
Issue Date: 2008
Publish Date: 2009
Abstract: 
Physics with X-rays spans from observing large scales in X-ray
astronomy down to small scales in material structure analyses with
synchrotron radiation. Both fields of research require imaging detectors
featuring spectroscopic resolution for X-rays in an energy range of
0.1keV to 20.0keV. Originally driven by the need for an imaging
spectrometer on ESA's X-ray astronomy satellite mission XMM-Newton,
X-ray pnCCDs were developed at the semiconductor laboratory of the
Max-Planck-Institute. The pnCCD is a pixel array detector
made of silicon. It is sensitive over a wide band from near infrared-
over optical- and UV-radiation up to X-rays.

This thesis describes the dynamics of signal electrons from the moment
after their generation until their collection in the potential minima of
the pixel structure. Experimentally, a pinhole array was used to scan
the pnCCD surface with high spatial resolution. Numerical simulations
were used as a tool for the modeling of the electrical conditions inside
the pnCCD. The results predicted by the simulations were compared with
the measurements.

Both, experiment and simulation, helped to establish a model for the
signal charge dynamics in the energy range from 0.7keV to 5.5keV.
More generally, the presented work has enhanced the understanding of the
detector system on the basis of a physical model. The developed
experimental and theoretical methods can be applied to any type of array
detector which is based on the full depletion of a semiconductor
substrate material.

Physik mit Röntgenstrahlen befasst sich sowohl mit grosskaligen
Strukturen in der Röntgenastronomie, als auch mit kleinskaligen
Phänomenen bei Strukturanalysen mit Synchrotronstrahlung. In beiden
der genannten Bereiche werden bildgebende Sensoren benötigt, die
zusätzlich als Spektrometer im Energiebereich von 0.1keV bis 20.0keV
arbeiten. Ursprünglich wurden pnCCDs am Halbleiterlabor der
Max-Planck-Institute für Physik und extraterrestrische Physik
entwickelt, um ein bildgebendes Spektrometer für die
Röntgenastronomiemission XMM-Newton der ESA bereitzustellen.
Das pnCCD ist ein Detektor mit Pixelstruktur, der vom Infraroten über
optische und UV-Strahlung bis hin zu Röntgenstrahlung empfindlich
ist.

Diese Arbeit beschreibt die Bewegung von Signalelektronen vom Zeitpunkt
ihrer Erzeugung bis zur Sammlung in den Speicherzellen der
Pixelstruktur. Zur experimentellen Untersuchung von pnCCDs wurde ein
Lochraster eingesetzt, das deren Oberfläche mit hoher räumlicher
Auflösung abtastet. Mit Hilfe von numerischen Bauelementesimulationen
stand ein Werkzeug zur Modellierung der elektrischen Bedingungen in
pnCCDs zur Verfügung.

Durch die Kombination der durchgeführten Experimente und Simulationen
konnte ein Modell für die Signalladungsdynamik im Energiebereich von
0.7keV bis 5.5keV erstellt werden. Im allgemeineren Sinne hat die
vorliegende Arbeit mittels eines physikalisches Modells das
Verständnis von pnCCDs erweitert. Die dazu entwickelten
experimentellen und theoretischen Methoden können auf jeden Detektor
angewendet werden, der auf einem vollständig verarmten
Halbleitersubstrat aufbaut.
URN: urn:nbn:de:hbz:467-3885
urn:nbn:de:hbz:467-3885
URI: https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/388
License: https://dspace.ub.uni-siegen.de/static/license.txt
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