실리콘 기반의 positive-intrinsic-negative(PIN) 포토다이오드는 PN 다이오드 사이에 진성층을 삽입한 형태를 가지며, 넓은 공핍층을 형성할 수 있기 때문에 검출 효율이 높다는 특징이 있어서 ...
실리콘 기반의 positive-intrinsic-negative(PIN) 포토다이오드는 PN 다이오드 사이에 진성층을 삽입한 형태를 가지며, 넓은 공핍층을 형성할 수 있기 때문에 검출 효율이 높다는 특징이 있어서 어댑터, 고속 스위치, 광검출기 및 고전압 전력 애플리케이션 등에 널리 사용된다. 본 논문에서는 PIN 포토다이오드를 개발 및 제작하였고 PAL-PD라고 이름붙였다. PIN 포토다이오드 개발에는 500 um 두께와 5 킬로옴 이상의 고저항 n형 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 10 mm x 10 mm 크기의 센서(PAD1)은 현재 다양한 연구 시설에서 널리 사용되는 센서의 크기와 동일한 크기이기 때문에 주 디자인으로 제작되었다. 또한, 대면적 센서로 20 mm x 20 mm(PAD4)와 30 mm x 30 mm(PAD9) 크기를 갖는 센서와 중앙 홀을 가진 매트릭스형 센서(MAT)를 디자인했다. PAL-PD는 공통적으로 N면을 입사면으로, P면을 신호전달부로 사용한다. PAD1 센서는 각 면의 금속 구조에 따라 4가지 유형으로 분류된다. 각 면의 금속 구조에 따른 성능 차이를 확인하기 위해 고리와 전면 타입으로 설계되었다. 이러한 차이로 인해 링 타입은 수광부가 드러나있지만, 전면 타입은 그렇지 않다. 전기적 특성으로 누설전류 및 정전용량을 측정하여 센서의 성능을 검증하였다. 측정된 센서의 정전용량 값은 평균 22.7 pF이며, 이를 통해 구동전압을 -200 V로 설정하였다. 구동전압에서의 단위면적당 누설전류를 측정하여 20 nA 이하인 센서를 A 등급으로, 20 에서 30 nA 사이인 센서를 B 등급으로 분류하였다. 분류된 센서는 Sr-90 베타 선원을 사용하여 신호 대 잡음비(SNR)을 측정하였고, Am-241와 Ba-133 감마 소스를 사용하여 에너지 분해능을 측정하였다. 측정한 결과를 비교군 센서와 비교한 결과, 베타 선원에 대한 SNR이 실리콘 센서의 두께에 대한 선형성을 보여주는 것을 확인하였다. 감마 선원에서 검출된 신호도 감마 선원의 에너지 크기와 선형성을 보이는 것을 확인하였다. 비교군 센서의 SNR과 에너지 분해능을 PAL-PD와 비교하기 위해 동일한 조건에서 측정을 실시하였다. X선 빔 테스트는 포항가속기연구소(PAL-XFEL)에서 진행되었다. PAD1을 사용하였고 각 종류별로 센서의 신호를 분석하여 비교군 센서의 결과와 비교하였다. 결과는 파형, 전하 분포 및 정규화된 전하에 따라 분석하였다. PAL-PD는 비교군 센서와 비교했을 때 600 및 900 eV 빔에 대해 유사한 결과를 보여주었다.
실리콘 기반의 positive-intrinsic-negative(PIN) 포토다이오드는 PN 다이오드 사이에 진성층을 삽입한 형태를 가지며, 넓은 공핍층을 형성할 수 있기 때문에 검출 효율이 높다는 특징이 있어서 어댑터, 고속 스위치, 광검출기 및 고전압 전력 애플리케이션 등에 널리 사용된다. 본 논문에서는 PIN 포토다이오드를 개발 및 제작하였고 PAL-PD라고 이름붙였다. PIN 포토다이오드 개발에는 500 um 두께와 5 킬로옴 이상의 고저항 n형 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 10 mm x 10 mm 크기의 센서(PAD1)은 현재 다양한 연구 시설에서 널리 사용되는 센서의 크기와 동일한 크기이기 때문에 주 디자인으로 제작되었다. 또한, 대면적 센서로 20 mm x 20 mm(PAD4)와 30 mm x 30 mm(PAD9) 크기를 갖는 센서와 중앙 홀을 가진 매트릭스형 센서(MAT)를 디자인했다. PAL-PD는 공통적으로 N면을 입사면으로, P면을 신호전달부로 사용한다. PAD1 센서는 각 면의 금속 구조에 따라 4가지 유형으로 분류된다. 각 면의 금속 구조에 따른 성능 차이를 확인하기 위해 고리와 전면 타입으로 설계되었다. 이러한 차이로 인해 링 타입은 수광부가 드러나있지만, 전면 타입은 그렇지 않다. 전기적 특성으로 누설전류 및 정전용량을 측정하여 센서의 성능을 검증하였다. 측정된 센서의 정전용량 값은 평균 22.7 pF이며, 이를 통해 구동전압을 -200 V로 설정하였다. 구동전압에서의 단위면적당 누설전류를 측정하여 20 nA 이하인 센서를 A 등급으로, 20 에서 30 nA 사이인 센서를 B 등급으로 분류하였다. 분류된 센서는 Sr-90 베타 선원을 사용하여 신호 대 잡음비(SNR)을 측정하였고, Am-241와 Ba-133 감마 소스를 사용하여 에너지 분해능을 측정하였다. 측정한 결과를 비교군 센서와 비교한 결과, 베타 선원에 대한 SNR이 실리콘 센서의 두께에 대한 선형성을 보여주는 것을 확인하였다. 감마 선원에서 검출된 신호도 감마 선원의 에너지 크기와 선형성을 보이는 것을 확인하였다. 비교군 센서의 SNR과 에너지 분해능을 PAL-PD와 비교하기 위해 동일한 조건에서 측정을 실시하였다. X선 빔 테스트는 포항가속기연구소(PAL-XFEL)에서 진행되었다. PAD1을 사용하였고 각 종류별로 센서의 신호를 분석하여 비교군 센서의 결과와 비교하였다. 결과는 파형, 전하 분포 및 정규화된 전하에 따라 분석하였다. PAL-PD는 비교군 센서와 비교했을 때 600 및 900 eV 빔에 대해 유사한 결과를 보여주었다.
The silicon-based positive-intrinsic-negative (PIN) photodiodes are widely used in adaptors, fast switches, photodetectors, and high-voltage power applications because they have an intrinsic layer inserted into the PN diode and can form a wide depletion layer. In this thesis, the PIN photodiode, so ...
The silicon-based positive-intrinsic-negative (PIN) photodiodes are widely used in adaptors, fast switches, photodetectors, and high-voltage power applications because they have an intrinsic layer inserted into the PN diode and can form a wide depletion layer. In this thesis, the PIN photodiode, so called PAL-PD, was designed and fabricated. It used 500 mu thickness and five or more kiloohm high resistivity n-type silicon wafer. The 10 mm x 10 mm size (PAD1) was designed as a main because it is the same size as the sensor widely used in various research facilities. Additionally, for the large-area sensors, 20 mm x 20 mm (PAD4) and 30 mm x 30 mm (PAD9) and matrix-type sensors with a center hole (MAT) were designed. The PAL-PD uses the N-side as the ohmic side and the P-side as the junction side. The PAD1 sensor is classified into four types according to the metal structure of each side. To verify the performance difference between the metal structure of each side, it was designed into a ring and whole metal type. Because of this difference, the N-side ring metal type has a light entrance window and the N-side whole metal type doesn't have it. The electrical characteristics, the leakage current and bulk capacitance, were measured to verify the performance of the sensors. The measured bulk capacitance value is 22.7 pF on average, which sets the operation voltage to –200 V. At the operation voltage, the leakage current was measured according to the wafer and the metal types. The sensor whose leakage current below 20nA/cm^2 was classified as an A-class sensor. For the classified sensors, signal-to-noise ratio (SNR) was measured using Sr-90 beta source, and energy resolution was measured using Am-241 and Ba-133 gamma sources. The measured results were compared with the reference sensor's results and the SNR for beta radioactive shows linearity for the thickness of the silicon sensor. The signal detected from the gamma radioactive sources showed linearity with the energy of the gamma sources. The SNR and the energy resolution of the reference sensor were measured equally and compare with the PAL-PD. The X-ray beam test was conducted at Pohang Accelerator Laboratory X-ray Free Electron Laser (PAL-XFEL). The PAD1 sensors were used and the signal of sensors was analyzed for each metal type and compared with the result of the reference sensor. The result was analyzed for the waveform, charge distribution, and normalized charge. The PAL-PD shows a comparable result for 600 and 900 eV beams when compared to the reference sensor.
The silicon-based positive-intrinsic-negative (PIN) photodiodes are widely used in adaptors, fast switches, photodetectors, and high-voltage power applications because they have an intrinsic layer inserted into the PN diode and can form a wide depletion layer. In this thesis, the PIN photodiode, so called PAL-PD, was designed and fabricated. It used 500 mu thickness and five or more kiloohm high resistivity n-type silicon wafer. The 10 mm x 10 mm size (PAD1) was designed as a main because it is the same size as the sensor widely used in various research facilities. Additionally, for the large-area sensors, 20 mm x 20 mm (PAD4) and 30 mm x 30 mm (PAD9) and matrix-type sensors with a center hole (MAT) were designed. The PAL-PD uses the N-side as the ohmic side and the P-side as the junction side. The PAD1 sensor is classified into four types according to the metal structure of each side. To verify the performance difference between the metal structure of each side, it was designed into a ring and whole metal type. Because of this difference, the N-side ring metal type has a light entrance window and the N-side whole metal type doesn't have it. The electrical characteristics, the leakage current and bulk capacitance, were measured to verify the performance of the sensors. The measured bulk capacitance value is 22.7 pF on average, which sets the operation voltage to –200 V. At the operation voltage, the leakage current was measured according to the wafer and the metal types. The sensor whose leakage current below 20nA/cm^2 was classified as an A-class sensor. For the classified sensors, signal-to-noise ratio (SNR) was measured using Sr-90 beta source, and energy resolution was measured using Am-241 and Ba-133 gamma sources. The measured results were compared with the reference sensor's results and the SNR for beta radioactive shows linearity for the thickness of the silicon sensor. The signal detected from the gamma radioactive sources showed linearity with the energy of the gamma sources. The SNR and the energy resolution of the reference sensor were measured equally and compare with the PAL-PD. The X-ray beam test was conducted at Pohang Accelerator Laboratory X-ray Free Electron Laser (PAL-XFEL). The PAD1 sensors were used and the signal of sensors was analyzed for each metal type and compared with the result of the reference sensor. The result was analyzed for the waveform, charge distribution, and normalized charge. The PAL-PD shows a comparable result for 600 and 900 eV beams when compared to the reference sensor.
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