Kurzfassung
In dieser Arbeit werden die Ladungssammlungseigenschaften in Siliziumsensoren untersucht. Für die Untersuchungen wurde ein Messstand für Messungen mittels der Transient Current Technique (TCT) entworfen und aufgebaut. Es wurden optische Laser verschiedener Wellenlängen mit einer kurzen Pulsdauer (FWHM < 100 ps) verwendet, um Ladungsträger im Sensorvolumen zu erzeugen. Untersuchungen an Pad-Sensoren mit niedriger Dichte erzeugter Ladungsträger ermöglichen die Bestimmung von Ladungsträgermobilitäten im Silizium-Volumenmaterial als Funktion des elektrischen Felds und der Temperatur für zwei unterschiedliche Kristallrichtungen. Im Rahmen der Untersuchungen wurde ein Simulationsprogramm für Strompulse entwickelt. Das Programm ermöglicht die Simulation der durch Drift und Diffusion von Ladungsträgern induzierten Strompulse für Pad-Sensoren, sowie Näherungen für Streifen- und Pixelsensoren. Dieses Simulationsprogramm konnte verwendet werden um die Strompulse von bestrahlten Sensoren zu beschreiben. Zusätzlich konnte mittels des Simulationsprogramms gezeigt werden, dass Stoßionisation eine mögliche Ursache für den kürzlich entdeckten 'charge multiplication' Effekt in extrem hoch bestrahlten Sensoren ist. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung von Effekten hoher Dichte erzeugter Ladungsträger, sogenannter Plasmaeffekte. In dieser Arbeit wurden Plasmaeffekte durch eine Fokussierung der verwendeten Laser erzeugt. Die Messungen des Plasmaffeffekts in Pad-Sensoren wurden als Referenzmessungen für Simulationen des Plasmaeffekts verwendet, welche vom WIAS in Berlin durchgeführt wurden. Es wurde gezeigt, dass mit den in der Literatur akzeptierten Ladungstransportmodellen die beobachteten Plasmaeffekte nicht beschrieben werden kann. Insbesondere im Hinblick auf die Detektorentwicklung für den Europäischen Röntgen-Laser (XFEL) wurden Messungen an Streifensensoren durchgeführt. Die Messung von Spitzenströmen und Ladungssammlungszeiten als Funktion von Photonenintensität und angelegter Spannung ermöglichte die Bestimmung optimaler Betriebsparameter für den Adaptive Gain Integration Pixel Detector (AGIPD), welcher am Europäaischen XFEL zum Einsatz kommen wird. Positionsabhängige Messungen an Streifensensoren ermöglichten zudem die Bestimmung der räumlichen Verteilungsfunktion von Ladungswolken mit hohen Ladungsträgerdichten. Diese Verteilungen ermöglichen Abschätzungen der Auswirkungen von Plasmaeffekten auf das Ladungsteilungsverhalten für zwei unterschiedliche Pixelgrößen für den AGIPD.
This work investigates the charge collection properties in silicon sensors. In order to perform the investigations a setup for measurements utilizing the Transient Current Technique (TCT) has been designed and built. Optical lasers with different wavelengths and short pulses (FWHM < 100 ps) have been used to create charge carriers in the sensor volume. A new parameterization of charge carrier mobilities in bulk silicon as function of electric fi eld and temperature was derived for two different crystal orientations from investigations on pad sensors with low charge carrier densities. In the course of these investigations a simulation program for current pulses was developed. The program simulates current pulses, which are induced by drift and diffusion of charge carriers for pad sensors, and approximately for strip and pixel sensors. The simulation program could be used to describe the current pulses of irradiated sensors. Additionally, using the simulation program, it was shown that impact ionization is a possible reason for the recently reported charge multiplication effects in highly irradiated sensors. The central topic of this work is the investigation of effects of high charge carrier densities, so called plasma effects. In this work plasma effects were created by focusing the lasers. The measurements of the plasma effects on pad sensors were used as reference measurements for simulations performed by WIAS in Berlin. It was shown that using charge transport models accepted in literature, the observed plasma effcts cannot be described. Measurements on strip sensors were performed with regards to the detector development for the European XFEL. Measurements of peak currents and charge collection times as function of photon intensity and applied bias voltage allowed the determination of optimum operation parameters of the Adaptive Gain Integration Pixel Detector (AGIPD), which will be used at the European XFEL. Utilizing position sensitive measurements on strip sensors, the spatial distribution of charge clouds with high charge carrier densities could be determined. These distributions allowed estimations of the influence of plasma effects on the charge sharing behavior of two different pixel sizes for the AGIPD.