ITS/AliITSCalibration.cxx

   1 /**************************************************************************
   2  * Copyright(c) 1998-1999, ALICE Experiment at CERN, All rights reserved. *
   3  *                                                                        *
   4  * Author: The ALICE Off-line Project.                                    *
   5  * Contributors are mentioned in the code where appropriate.              *
   6  *                                                                        *
   7  * Permission to use, copy, modify and distribute this software and its   *
   8  * documentation strictly for non-commercial purposes is hereby granted   *
   9  * without fee, provided that the above copyright notice appears in all   *
  10  * copies and that both the copyright notice and this permission notice   *
  11  * appear in the supporting documentation. The authors make no claims     *
  12  * about the suitability of this software for any purpose. It is          *
  13  * provided "as is" without express or implied warranty.                  *
  14  **************************************************************************/
  15
  16
  17 //////////////////////////////////////////////////////
  18 //  Calibration class for set:ITS                   //
  19 //  Specific subdetector implementation is done in  //
  20 //  AliITSCalibrationSPD                            //
  21 //  AliITSCalibrationSDD                            //
  22 //  AliITSCalibrationSSD                            //
  23 //////////////////////////////////////////////////////
  24
  25 #include "Riostream.h"
  26 #include "AliITSCalibration.h"
  27 #include "AliLog.h"
  28
  29 ClassImp(AliITSCalibration)
  30
  31 //______________________________________________________________________
  32 AliITSCalibration::AliITSCalibration():
  33 TObject(),
  34 fDataType(),
  35 fdv(0.000375),
  36 fN(0.),
  37 fT(300.),
  38 fGeVcharge(0.),
  39 fResponse(){
  40     // Default Constructor (300 microns and 80 volts)
  41
  42     SetGeVToCharge();
  43     fResponse = 0;
  44 }
  45 //______________________________________________________________________
  46 AliITSCalibration::AliITSCalibration(Double_t thickness):
  47 TObject(),
  48 fDataType(),
  49 fdv(0.),
  50 fN(0.),
  51 fT(300.),
  52 fGeVcharge(0.),
  53 fResponse(){
  54     // Default Constructor
  55
  56     fdv = thickness/80.0;   // 80 volts.
  57     SetGeVToCharge();
  58     fResponse = 0;
  59 }
  60
  61 //______________________________________________________________________
  62 AliITSCalibration::AliITSCalibration(const AliITSCalibration &ob):
  63 TObject(ob),
  64 fDataType(ob.fDataType),
  65 fdv(ob.fdv),
  66 fN(ob.fN),
  67 fT(ob.fT),
  68 fGeVcharge(ob.fGeVcharge),
  69 fResponse(ob.fResponse)
  70 {
  71   // Copy constructor
  72
  73 }
  74 /*
  75 //______________________________________________________________________________
  76 AliITSCalibration& AliITSCalibration::operator= (const AliITSCalibration& source)
  77 {
  78   // Asignment operator
  79
  80   this->~AliITSCalibration();
  81   new(this) AliITSCalibration(source);
  82   return *this;
  83
  84
  85 }
  86 */
  87 //______________________________________________________________________
  88 Double_t AliITSCalibration::MobilityElectronSiEmp() const {
  89     // Computes the electron mobility in cm^2/volt-sec. Taken from SILVACO
  90     // International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework, User Manual
  91     // Chapter 5 Equation 5-6. An empirical function for low-field mobiliity
  92     // in silicon at different tempeatures.
  93     // Inputs:
  94     //    none.
  95     // Output:
  96     //    none.
  97     // Return:
  98     //    The Mobility of electrons in Si at a give temprature and impurity
  99     //    concentration. [cm^2/Volt-sec]
 100     const Double_t km0  = 55.24; // cm^2/Volt-sec
 101     const Double_t km1  = 7.12E+08; // cm^2 (degree K)^2.3 / Volt-sec
 102     const Double_t kN0  = 1.072E17; // #/cm^3
 103     const Double_t kT0  = 300.; // degree K.
 104     const Double_t keT0 = -2.3; // Power of Temp.
 105     const Double_t keT1 = -3.8; // Power of Temp.
 106     const Double_t keN  = 0.73; // Power of Dopent Consentrations
 107     Double_t m;
 108     Double_t tT = fT,nN = fN;
 109
 110     if(nN<=0.0){ // Simple case.
 111         if(tT==300.) return 1350.0; // From Table 5-1 at consentration 1.0E14.
 112         m = km1*TMath::Power(tT,keT0);
 113         return m;
 114     } // if nN<=0.0
 115     m = km1*TMath::Power(tT,keT0) - km0;
 116     m /= 1.0 + TMath::Power(tT/kT0,keT1)*TMath::Power(nN/kN0,keN);
 117     m += km0;
 118     return m;
 119 }
 120 //______________________________________________________________________
 121 Double_t AliITSCalibration::MobilityHoleSiEmp() const {
 122     // Computes the Hole mobility in cm^2/volt-sec. Taken from SILVACO
 123     // International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework, User Manual
 124     // Chapter 5 Equation 5-7 An empirical function for low-field mobiliity
 125     // in silicon at different tempeatures.
 126     // Inputs:
 127     //    none.
 128     // Output:
 129     //    none.
 130     // Return:
 131     //    The Mobility of Hole in Si at a give temprature and impurity
 132     //    concentration. [cm^2/Volt-sec]
 133     const Double_t km0a = 49.74; // cm^2/Volt-sec
 134     const Double_t km0b = 49.70; // cm^2/Volt-sec
 135     const Double_t km1  = 1.35E+08; // cm^2 (degree K)^2.3 / Volt-sec
 136     const Double_t kN0  = 1.606E17; // #/cm^3
 137     const Double_t kT0  = 300.; // degree K.
 138     const Double_t keT0 = -2.2; // Power of Temp.
 139     const Double_t keT1 = -3.7; // Power of Temp.
 140     const Double_t keN  = 0.70; // Power of Dopent Consentrations
 141     Double_t m;
 142     Double_t tT = fT,nN = fN;
 143
 144     if(nN<=0.0){ // Simple case.
 145         if(tT==300.) return 495.0; // From Table 5-1 at consentration 1.0E14.
 146         m = km1*TMath::Power(tT,keT0) + km0a-km0b;
 147         return m;
 148     } // if nN<=0.0
 149     m = km1*TMath::Power(tT,keT0) - km0b;
 150     m /= 1.0 + TMath::Power(tT/kT0,keT1)*TMath::Power(nN/kN0,keN);
 151     m += km0a;
 152     return m;
 153 }
 154 //______________________________________________________________________
 155 Double_t AliITSCalibration::DiffusionCoefficientElectron() const {
 156     // Computes the Diffusion coefficient for electrons in cm^2/sec. Taken
 157     // from SILVACO International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework,
 158     // User Manual Chapter 5 Equation 5-53. Einstein relations for diffusion
 159     // coefficient. Note: 1 cm^2/sec = 10 microns^2/nanosec.
 160     // Inputs:
 161     //    none.
 162     // Output:
 163     //    none.
 164     // Return:
 165     //    The Diffusion Coefficient of electrons in Si at a give temprature
 166     //    and impurity concentration. [cm^2/sec]
 167     // const Double_t kb = 1.3806503E-23; // Joules/degree K
 168     // const Double_t qe = 1.60217646E-19; // Coulumbs.
 169     const Double_t kbqe = 8.617342312E-5; // Volt/degree K
 170     Double_t m = MobilityElectronSiEmp();
 171     Double_t tT = fT;
 172
 173     return m*kbqe*tT;  // [cm^2/sec]
 174 }
 175 //______________________________________________________________________
 176 Double_t AliITSCalibration::DiffusionCoefficientHole() const {
 177     // Computes the Diffusion coefficient for Holes in cm^2/sec. Taken
 178     // from SILVACO International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework,
 179     // User Manual Chapter 5 Equation 5-53. Einstein relations for diffusion
 180     // coefficient. Note: 1 cm^2/sec = 10 microns^2/nanosec.
 181     // Inputs:
 182     //    none.
 183     // Output:
 184     //    none.
 185     // Return:
 186     //    The Defusion Coefficient of Hole in Si at a give temprature and
 187     //    impurity concentration. [cm^2/sec]
 188     //    and impurity concentration. [cm^2/sec]
 189     // const Double_t kb = 1.3806503E-23; // Joules/degree K
 190     // const Double_t qe = 1.60217646E-19; // Coulumbs.
 191     const Double_t kbqe = 8.617342312E-5; // Volt/degree K
 192     Double_t m = MobilityHoleSiEmp();
 193     Double_t tT = fT;
 194
 195     return m*kbqe*tT;  // [cm^2/sec]
 196 }
 197 //______________________________________________________________________
 198 Double_t AliITSCalibration::SpeedElectron() const {
 199     // Computes the average speed for electrons in Si under the low-field
 200     // approximation. [cm/sec].
 201     // Inputs:
 202     //    none.
 203     // Output:
 204     //    none.
 205     // Return:
 206     //    The speed the holes are traveling at due to the low field applied.
 207     //    [cm/sec]
 208     Double_t m = MobilityElectronSiEmp();
 209
 210     return m/fdv;  // [cm/sec]
 211 }
 212 //______________________________________________________________________
 213 Double_t AliITSCalibration::SpeedHole() const {
 214     // Computes the average speed for Holes in Si under the low-field
 215     // approximation.[cm/sec].
 216     // Inputs:
 217     //    none.
 218     // Output:
 219     //    none.
 220     // Return:
 221     //    The speed the holes are traveling at due to the low field applied.
 222     //    [cm/sec]
 223     Double_t m = MobilityHoleSiEmp();
 224
 225     return m/fdv;  // [cm/sec]
 226 }
 227 //______________________________________________________________________
 228 Double_t AliITSCalibration::SigmaDiffusion3D(Double_t l) const {
 229     // Returns the Gaussian sigma^2 == <x^2+y^2+z^2> [cm^2] due to the
 230     // defusion of electrons or holes through a distance l [cm] caused
 231     // by an applied voltage v [volt] through a distance d [cm] in any
 232     //  material at a temperature T [degree K]. The sigma diffusion when
 233     //  expressed in terms of the distance over which the diffusion
 234     // occures, l=time/speed, is independent of the mobility and therefore
 235     //  the properties of the material. The charge distributions is given by
 236     // n = exp(-r^2/4Dt)/(4piDt)^1.5. From this <r^2> = 6Dt where D=mkT/e
 237     // (m==mobility, k==Boltzman's constant, T==temparature, e==electric
 238     // charge. and vel=m*v/d. consiquently sigma^2=6kTdl/ev.
 239     // Inputs:
 240     //    Double_t l   Distance the charge has to travel.
 241     // Output:
 242     //    none.
 243     // Return:
 244     //    The Sigma due to the diffution of electrons. [cm]
 245     const Double_t kcon = 5.17040258E-04; // == 6k/e [J/col or volts]
 246
 247     return TMath::Sqrt(kcon*fT*fdv*l);  // [cm]
 248 }
 249 //______________________________________________________________________
 250 Double_t AliITSCalibration::SigmaDiffusion2D(Double_t l) const {
 251     // Returns the Gaussian sigma^2 == <x^2+z^2> [cm^2] due to the defusion
 252     // of electrons or holes through a distance l [cm] caused by an applied
 253     // voltage v [volt] through a distance d [cm] in any material at a
 254     // temperature T [degree K]. The sigma diffusion when expressed in terms
 255     // of the distance over which the diffusion occures, l=time/speed, is
 256     // independent of the mobility and therefore the properties of the
 257     // material. The charge distributions is given by
 258     // n = exp(-r^2/4Dt)/(4piDt)^1.5. From this <x^2+z^2> = 4Dt where D=mkT/e
 259     // (m==mobility, k==Boltzman's constant, T==temparature, e==electric
 260     // charge. and vel=m*v/d. consiquently sigma^2=4kTdl/ev.
 261     // Inputs:
 262     //    Double_t l   Distance the charge has to travel.
 263     // Output:
 264     //    none.
 265     // Return:
 266     //    The Sigma due to the diffution of electrons. [cm]
 267     const Double_t kcon = 3.446935053E-04; // == 4k/e [J/col or volts]
 268
 269     return TMath::Sqrt(kcon*fT*fdv*l);  // [cm]
 270 }
 271 //______________________________________________________________________
 272 Double_t AliITSCalibration::SigmaDiffusion1D(Double_t l) const {
 273     // Returns the Gaussian sigma^2 == <x^2> [cm^2] due to the defusion
 274     // of electrons or holes through a distance l [cm] caused by an applied
 275     // voltage v [volt] through a distance d [cm] in any material at a
 276     // temperature T [degree K]. The sigma diffusion when expressed in terms
 277     // of the distance over which the diffusion occures, l=time/speed, is
 278     // independent of the mobility and therefore the properties of the
 279     // material. The charge distributions is given by
 280     // n = exp(-r^2/4Dt)/(4piDt)^1.5. From this <r^2> = 2Dt where D=mkT/e
 281     // (m==mobility, k==Boltzman's constant, T==temparature, e==electric
 282     // charge. and vel=m*v/d. consiquently sigma^2=2kTdl/ev.
 283     // Inputs:
 284     //    Double_t l   Distance the charge has to travel.
 285     // Output:
 286     //    none.
 287     // Return:
 288     //    The Sigma due to the diffution of electrons. [cm]
 289     const Double_t kcon = 1.723467527E-04; // == 2k/e [J/col or volts]
 290
 291     return TMath::Sqrt(kcon*fT*fdv*l);  // [cm]
 292 }
 293 //----------------------------------------------------------------------
 294 Double_t AliITSCalibration::DepletedRegionThicknessA(Double_t dopCons,
 295                                                  Double_t voltage,
 296                                                  Double_t elecCharge,
 297                                                  Double_t voltBuiltIn)const{
 298     // Computes the thickness of the depleted region in Si due to the
 299     // application of an external bias voltage. From the Particle Data
 300     // Book, 28.8 Silicon semiconductor detectors equation 28.19 (2004)
 301     // Physics Letters B "Review of Particle Physics" Volume 592, Issue 1-4
 302     // July 15 2004, ISSN 0370-2693 page 263. First equation.
 303     // Inputs:
 304     //    Double_t dopCons           "N" doping concentration
 305     //    Double_t voltage           "V" external bias voltage
 306     //    Double_t elecCharge        "e" electronic charge
 307     //    Double_t voltBuiltIn=0.5   "V_bi" "built-in" Voltage (~0.5V for
 308     //                               resistivities typically used in detectors)
 309     // Output:
 310     //    none.
 311     // Return:
 312     //    The thickness of the depleted region
 313
 314     return TMath::Sqrt(2.0*(voltage+voltBuiltIn)/(dopCons*elecCharge));
 315 }
 316 //----------------------------------------------------------------------
 317 Double_t AliITSCalibration::DepletedRegionThicknessB(Double_t resist,
 318                                                  Double_t voltage,
 319                                                  Double_t mobility,
 320                                                  Double_t voltBuiltIn,
 321                                                  Double_t dielConst)const{
 322     // Computes the thickness of the depleted region in Si due to the
 323     // application of an external bias voltage. From the Particle Data
 324     // Book, 28.8 Silicon semiconductor detectors equation 28.19 (2004)
 325     // Physics Letters B "Review of Particle Physics" Volume 592, Issue 1-4
 326     // July 15 2004, ISSN 0370-2693 page 263. Second Equation.
 327     // Inputs:
 328     //    Double_t resist            "rho" resistivity (typically 1-10 kOhm cm)
 329     //    Double_t voltage           "V" external bias voltage
 330     //    Double_t mobility          "mu" charge carrier mobility
 331     //                                  (electons 1350, holes 450 cm^2/V/s)
 332     //    Double_t voltBuiltIn=0.5   "V_bi" "built-in" Voltage (~0.5V for
 333     //                               resistivities typically used in detectors)
 334     //    Double_t dielConst=1.E-12  "epsilon" dielectric constant = 11.9 *
 335     //                                (permittivity of free space) or ~ 1 pF/cm
 336     // Output:
 337     //    none.
 338     // Return:
 339     //    The thickness of the depleted region
 340
 341     return TMath::Sqrt(2.8*resist*mobility*dielConst*(voltage+voltBuiltIn));
 342 }
 343 //----------------------------------------------------------------------
 344 Double_t AliITSCalibration::ReverseBiasCurrent(Double_t temp,
 345                                             Double_t revBiasCurT1,
 346                                             Double_t tempT1,
 347                                             Double_t energy)const{
 348     // Computes the temperature dependance of the reverse bias current
 349     // of Si detectors. From the Particle Data
 350     // Book, 28.8 Silicon semiconductor detectors equation 28.21 (2004)
 351     // Physics Letters B "Review of Particle Physics" Volume 592, Issue 1-4
 352     // July 15 2004, ISSN 0370-2693 page 263.
 353     // Inputs:
 354     //    Double_t temp         The temperature at which the current is wanted
 355     //    Double_t revBiasCurT1 The reference bias current at temp T1
 356     //    Double_t tempT1       The temperature correstponding to revBiasCurT1
 357     //    Double_t energy=1.2   Some energy [eV]
 358     // Output:
 359     //    none.
 360     // Return:
 361     //    The reverse bias current at the tempeature temp.
 362     const Double_t kBoltz = 8.617343E-5; //[eV/K]
 363
 364     return revBiasCurT1*(temp*temp/(tempT1*tempT1))*
 365         TMath::Exp(-0.5*energy*(tempT1-temp)/(kBoltz*tempT1*temp));
 366 }
 367 //----------------------------------------------------------------------
 368 void AliITSCalibration::Print(ostream *os) const {
 369   // Standard output format for this class.
 370   // Inputs:
 371     *os << fdv << " " << fN << " " << fT << " ";
 372     *os << fGeVcharge;
 373   //    printf("%-10.6e  %-10.6e %-10.6e %-10.6e \n",fdv,fN,fT,fGeVcharge);
 374     return;
 375 }
 376 //----------------------------------------------------------------------
 377 void AliITSCalibration::Read(istream *is) {
 378   // Standard input format for this class.
 379   // Inputs:
 380   //    ostream *is  Pointer to the output stream
 381   // Outputs:
 382   //    none:
 383   // Return:
 384   //    none.
 385
 386     *is >> fdv >> fN >> fT >> fGeVcharge;
 387     return;
 388 }
 389 //----------------------------------------------------------------------
 390
 391 ostream &operator<<(ostream &os,AliITSCalibration &p){
 392   // Standard output streaming function.
 393   // Inputs:
 394   //    ostream *os  Pointer to the output stream
 395   // Outputs:
 396   //    none:
 397   // Return:
 398   //    none.
 399
 400     p.Print(&os);
 401     return os;
 402 }
 403
 404 //----------------------------------------------------------------------
 405 istream &operator>>(istream &is,AliITSCalibration &r){
 406   // Standard input streaming function.
 407   // Inputs:
 408   //    ostream *os  Pointer to the output stream
 409   // Outputs:
 410   //    none:
 411   // Return:
 412   //    none.
 413
 414     r.Read(&is);
 415     return is;
 416 }
 417 //----------------------------------------------------------------------