Généralités sur le semi-conducteur au silicium

La Physique des Hautes Energies est un domaine qui a connu un avancé considérable depuis ces dernières années. Pour aller encore plus loin, le grand collisionneur de hadrons LHC (Large Hadron Collider) est actuellement en construction au CERN (Centre Européen pour la Recherche Nucléaire) situé à Genève en Suisse avec 27 km de circonférence. Le LHC est un accélérateur de particules, qui sondera la matière plus profondément que jamais. Sa mise en service est prévue en 2007 et, à terme il produira des collisions entre des faisceaux de protons à une énergie de 14TeV dans quatre points de collision (LHCb, ATLAS, CMS, ALICE) placés le long du trajet d’accélération.

Le LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) est conçu pour étudier les mesons-b produits par la collision proton-proton afin d’avoir plus de précision sur la violation CP (Charge et Parité). Il est composé de plusieurs détecteurs tels que le VELO (Vertex Locator), le RICH1, etc.

Le VELO est formé par un ensemble de détecteurs au silicium et a pour rôle la reconstruction dans l’espace de la collision primaire (primary vertex) entre deux protons provenant de chacun des faisceaux.

GENERALITES SUR LE SEMI-CONDUCEUR AU SILICIUM

L’étude des matériaux semi-conducteurs a commencé au début du 19ème siècle. Au fil des années plusieurs semi-conducteurs ont été réalisés. Au début de 1950, le germanium était le semi-conducteur présentant une certaine importance. Cependant cet élément était jugé inadéquat dans beaucoup d’applications parce que des dispositifs au germanium exposaient des courants de fuites élevés à des augmentations modérées de température.

Depuis 1960 le silicium était très utilisé, ceci est dû au fait que de faibles courants de fuite ont été signalés dans des dispositifs au silicium, et le dioxyde de silicium (Si O2) de haute qualité peut évoluer thermiquement. Notons que le silicium est sous forme de silice et de silicate et constitue 25% de la croûte terrestre, se trouvant ainsi derrière l’oxygène en abondance

La structure du silicium

Le silicium est un cristal simple c’est-à-dire que les atomes sont arrangés dans un mode périodique tridimensionnel. L’arrangement des atomes dans un cristal est appelé maille. Dans un cristal un atome n’erre loin d’une position fixe. Pour un semi-conducteur donné comme tout solide cristallin d’ailleurs, il y a une cellule élémentaire qui représente la maille élémentaire. En répétant cette celluleélémentaire à travers le cristal, on obtient la maille entière.

LE DISPOSITIF EXPERIMENTAL

Le détecteur LHCb a été conçu pour étudier un grand nombre de hadrons-b produits au LHC en particulier les mesons-b afin d’avoir beaucoup plus de précision sur la violation CP. Ce détecteur peut à la fois reconstruire la désintégration des mesons-b et identifier les particules chargées. Le LHCb est alors composé de plusieurs détecteurs secondaires :

• Le VELO, formé par un ensemble de petits détecteurs au silicium placés le long du trajet du faisceau de protons, fournit une mesure précise des coordonnées des points proches de la région d’interaction. Ces différents points permettent de reconstruire par simulation la production des hadrons-b et de mesurer leur durée de vie.
• Le RICH1 s’occupe de l’identification des particules chargées.
• Un spectromètre placé près de la région d’interaction permet de réduire la dimension de cette dernière.
• Un système de calorimètres est utilisé pour l’identification des électrons et des photons. Cette identification est indispensable pour l’étude de la désintégration des mésons-b.
• Un dispositif appliqué entre les détecteurs au silicium et les calorimètres mesure le moment d’une particule.
• Le détecteur de muons (MUON) permet d’identifier les muons et de reconstruire l’état final de désintégration des mésons-b.

Le processus de détection des mesons-b

A partir du LHC, deux protons d’énergie respective de 7TeV sont mis en collision. Dans cette collision différentes particules chargées sont produites et traversent les détecteurs au silicium en y créant des paires électron-trou. Ces paires électron-trou génèrent des impulsions qui sont recueillies par les « beetles » sous forme de signaux et sont ensuite stockées dans le système d’acquisition des données (DAQ). Les données ainsi obtenues sont converties en valeurs numériques par le Convertisseur Analogique Digital (ADC).

Après ce long trajet, les données numérisées seront triées par le système de traitement des données et ensuite analysées.

Le montage expérimental 

Le montage expérimental comprend : un générateur de tension continue (KEITHLEY 2410), un appareil pour mesurer la capacité (Waynerr Kerr 4270), une boîte de découplage, un compartiment sombre et un ordinateur de pilotage.

Le détecteur prototype au silicium du LHCb

Les détecteurs à semi-conducteur sont un type particulier de détecteur à ionisation. Au lieu d’exciter ou ioniser le milieu, une particule chargée crée des paires électron trou quasilibres dans la bande passante. Il faut seulement à peu près 3eV pour en créer une paire (comparé à 30eV pour une ionisation). Les charges ainsi créées peuvent être détectées en appliquant un champ électrique. Le détecteur étudié  est le troisième prototype (PR03) du détecteur au silicium du LHCb ou plus précisément du VELO. Il a une épaisseur de 300μm et un diamètre de 8,4 cm.

Dans une représentation du détecteur prototype étudié , deux régions particulières sont mises en évidence :
• Les « strips » : au nombre de 2048 dans un détecteur, ils ont la forme d’un demi-cercle et sont répartis suivant la circonférence du détecteur. Ils représentent les régions p+ du détecteur.
• Les lignes de conduction ou « routing lines» : disposées radialement dans le détecteur (c’est-à-dire perpendiculaire aux strips), elles ont pour rôle de conduire les signaux reçus par les strips lorsqu’une particule traverse le détecteur au silicium.

Table des matières

Introduction
Chapitre I Généralités sur le semi-conducteur au silicium
Introduction
I-1 Les matériaux semi-conducteurs
I-2 La structure du silicium
I-3 Les liaisons de valence
I-4 Les bandes d’énergie
I-5 Les semi-conducteurs intrinsèques
I-5-1 La fonction de distribution de Fermi-Dirac
I-5-2 La densité des états dans la bande de conduction
I-5-3 La densité de trous dans la bande de valence
I-6 Les semi-conducteurs extrinsèques
I-6-1 Donneurs et accepteurs
I-6-1-1 Formation des donneurs
I-6-1-2 Formation des accepteurs
I-6-1-3 La condition de complète ionisation
I-6-1-4 Les densités d’électrons et de trous en fonction de la densité des porteurs intrinsèques
I-7 La jonction p-n
I-7-1 Caractéristique courant-tension d’une jonction p-n
I-7-2 Formation de la jonction
I-7-3 La condition d’équilibre thermique
I-7-4 La différence de potentiel aux bornes de la jonction Vbi
I-8 La région de déplétion
I-8-1 La largeur de la région de déplétion
I-8-2 Effet d’une tension externe sur la région de déplétion
I-8-3 La capacité de déplétion
Table des Matières
Chapitre II Le dispositif expérimental
Introduction
II-1 Le processus de détection des mesons-b
II-2 Le montage expérimental
II-3 Le détecteur prototype au silicium du LHCb
II-4 Le compartiment sombre
II-4-1 La mise sous tension du détecteur
II-4-2 La mesure de la capacité
II-5 La boîte de découplage
II-6 Le KEITHLEY 2410
II-7 Le Waynerr Kerr 4270
II-8 L’ordinateur de pilotage
II-8-1 Le bloc de diagramme
II-8-2 Le panneau d’entrée
II-8-3 Fonctionnement du programme en LabView
II-8-3-1 La Conception du programme
II-8-3-2 L’utilisation du programme
Chapitre III : Programmation et Résultats
Introduction
III-1 La programmation
III-1-1 L’algorithme du programme
III-1-1-1 L’algorithme proprement dit
III-1-1-2 Signification des directives utilisées
III-1-2 L’organigramme
III-2 Les résultats obtenus
III-2-1 Résultats obtenus à 20kHz
III-2-2 Résultats obtenus à 70kHz
Interprétation
Conclusion
Annexes
Références

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