Effects of Bias Voltages on Silicon Drift Detector Performance

Abstract

Opinnäytetyö tehtiin yritykseen Hitachi High-tech Analytical Science Finland ja mittaukset toteutettiin yrityksen puhdastiloissa Espoossa. Työ on osa suurempaa projektia parantaa erään röntgenflueresenssin pii-drift-detektorin tuotannon saantoa. Tarkemmin työ keskittyi bias-jännitteiden muuttamisen vaikutukseen detektorin toimintaan ja tavoite oli löytää optimaaliset jännitteet suorituskyvyn maksimoimiseksi.

Työhön valittiin mitattavaksi kolme toimintakyvyn indikaattoria: puoliarvoleveys, nousuaika ja matalaenergiahäntä. Mangaanin Kα-piikin puoliarvoleveys (FWHM) on yleisessä käytössä oleva indikaattori detektorin energiaresoluutiolle, ja se kuvaa detektorin analyyttistä tarkkuutta. Nousuaika on elektroniikassa käytetty termi, joka kuvaa signaalin mittausnopeutta. Tässä työssä se kuvaa, kuinka nopeasti röntgenkvantin energia mitataan. Mangaanin Kα piikin matalaenergiahäntä kuvaa varauksenkeräyksen täydellisyyttä signaalissa. Matalaenergiahäntä määrittää Kα-piikin edessä olevan alueen integraalin suhdetta piikin korkeuteen.

Mittaukset tehtiin 16 detektorille. 15 detektoria oli vähintään yhdellä mittausparametrillä ohi tuotannossa asetetuista rajoista. Jokaiselle detektorille tehtiin mittaukset noin 60 bias-jännitteellä.

Mittausten tulokseksi saatiin, että puoliarvoleveyteen ja nousuaikaan pystyttiin vaikuttamaan jännitteiden säädöllä, mutta matalaenergianhännässä ei havaittu muutosta. Työn johtopäätös on että, puoliarvoleveyden ja nousuajan minimoimiseksi bias jännitteet tulisi säätää alueille R1 = 120V–40V, R18= 270V–340V, BC = 240V–220V.

The thesis study was carried out for Hitachi High-tech Analytical Science Finland and the experiments were done in the clean room facilities in the company’s Espoo offices. The thesis study is a part of a larger project to improve the production yield of an X-ray fluorescence silicon drift detector. The thesis focuses on the possibility that adjusting the bias voltages of the semiconductor chip can affect the analytical performance of the detector and finding the optimal voltages to maximize performance.

Three performance indicators were chosen for the study: FWHM (full width at half maximum), rise time and low energy tailing. FWHM of the Manganese Kα peak is a widely used indicator for the energy resolution of the detector and it measures the analytical accuracy of the detector. Rise time is a term used in electronics used to define the time it takes for a signal to be measured and is used in the thesis to measure the time it takes for the detector to measure an x-ray quantum. Low energy tail of the Mn Kα peak is an indicator of incomplete operation in the detector and for the thesis it is defined by dividing the integral of an area before the Kα peak by the peak height.

The measurements were made with 15 detectors that were outside the accepted parameters for at least one of the indicators and 1 that was within the limits. Around 60 sets of voltages were measured for each detector.

The results of the experiments were that adjusting the bias voltages influenced FWHM and rise time but did not affect the low energy tail. The optimal bias voltages for minimizing FWHM and rise time according to the experiments were R1 = 120V-140V, R18= 270V-340V, BC = 240V-220V.