ITS/AliITSresponse.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 /* $Id$ */
  17
  18 ////////////////////////////////////////////////
  19 //  Response class for set:ITS                //
  20 ////////////////////////////////////////////////
  21 #include <Riostream.h>
  22 #include <TMath.h>
  23 #include <TF1.h>
  24 #include <TString.h>
  25 #include "AliITSresponse.h"
  26
  27 ClassImp(AliITSresponse)
  28
  29 //______________________________________________________________________
  30 AliITSresponse::AliITSresponse(){
  31     // Default Constructor
  32
  33     fdv = 0.000375;  // 300 microns and 80 volts.
  34     fN  = 0.0;
  35     fT  = 300.0;
  36     SetGeVToCharge();
  37 }
  38 //______________________________________________________________________
  39 AliITSresponse::AliITSresponse(Double_t thickness){
  40     // Default Constructor
  41
  42     fdv = thickness/80.0;   // 80 volts.
  43     fN  = 0.0;
  44     fT  = 300.0;
  45     SetGeVToCharge();
  46 }
  47 //______________________________________________________________________
  48 Double_t AliITSresponse::MobilityElectronSiEmp() const {
  49     // Computes the electron mobility in cm^2/volt-sec. Taken from SILVACO
  50     // International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework, User Manual
  51     // Chapter 5 Equation 5-6. An empirical function for low-field mobiliity
  52     // in silicon at different tempeatures.
  53     // Inputs:
  54     //    none.
  55     // Output:
  56     //    none.
  57     // Return:
  58     //    The Mobility of electrons in Si at a give temprature and impurity
  59     //    concentration. [cm^2/Volt-sec]
  60     const Double_t m0  = 55.24; // cm^2/Volt-sec
  61     const Double_t m1  = 7.12E+08; // cm^2 (degree K)^2.3 / Volt-sec
  62     const Double_t N0  = 1.072E17; // #/cm^3
  63     const Double_t T0  = 300.; // degree K.
  64     const Double_t eT0 = -2.3; // Power of Temp.
  65     const Double_t eT1 = -3.8; // Power of Temp.
  66     const Double_t eN  = 0.73; // Power of Dopent Consentrations
  67     Double_t m;
  68     Double_t T = fT,N = fN;
  69
  70     if(N<=0.0){ // Simple case.
  71         if(T==300.) return 1350.0; // From Table 5-1 at consentration 1.0E14.
  72         m = m1*TMath::Power(T,eT0);
  73         return m;
  74     } // if N<=0.0
  75     m = m1*TMath::Power(T,eT0) - m0;
  76     m /= 1.0 + TMath::Power(T/T0,eT1)*TMath::Power(N/N0,eN);
  77     m += m0;
  78     return m;
  79 }
  80 //______________________________________________________________________
  81 Double_t AliITSresponse::MobilityHoleSiEmp() const {
  82     // Computes the Hole mobility in cm^2/volt-sec. Taken from SILVACO
  83     // International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework, User Manual
  84     // Chapter 5 Equation 5-7 An empirical function for low-field mobiliity
  85     // in silicon at different tempeatures.
  86     // Inputs:
  87     //    none.
  88     // Output:
  89     //    none.
  90     // Return:
  91     //    The Mobility of Hole in Si at a give temprature and impurity
  92     //    concentration. [cm^2/Volt-sec]
  93     const Double_t m0a = 49.74; // cm^2/Volt-sec
  94     const Double_t m0b = 49.70; // cm^2/Volt-sec
  95     const Double_t m1  = 1.35E+08; // cm^2 (degree K)^2.3 / Volt-sec
  96     const Double_t N0  = 1.606E17; // #/cm^3
  97     const Double_t T0  = 300.; // degree K.
  98     const Double_t eT0 = -2.2; // Power of Temp.
  99     const Double_t eT1 = -3.7; // Power of Temp.
 100     const Double_t eN  = 0.70; // Power of Dopent Consentrations
 101     Double_t m;
 102     Double_t T = fT,N = fN;
 103
 104     if(N<=0.0){ // Simple case.
 105         if(T==300.) return 495.0; // From Table 5-1 at consentration 1.0E14.
 106         m = m1*TMath::Power(T,eT0) + m0a-m0b;
 107         return m;
 108     } // if N<=0.0
 109     m = m1*TMath::Power(T,eT0) - m0b;
 110     m /= 1.0 + TMath::Power(T/T0,eT1)*TMath::Power(N/N0,eN);
 111     m += m0a;
 112     return m;
 113 }
 114 //______________________________________________________________________
 115 Double_t AliITSresponse::DiffusionCoefficientElectron() const {
 116     // Computes the Diffusion coefficient for electrons in cm^2/sec. Taken
 117     // from SILVACO International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework,
 118     // User Manual Chapter 5 Equation 5-53. Einstein relations for diffusion
 119     // coefficient. Note: 1 cm^2/sec = 10 microns^2/nanosec.
 120     // Inputs:
 121     //    none.
 122     // Output:
 123     //    none.
 124     // Return:
 125     //    The Diffusion Coefficient of electrons in Si at a give temprature
 126     //    and impurity concentration. [cm^2/sec]
 127     // const Double_t kb = 1.3806503E-23; // Joules/degree K
 128     // const Double_t qe = 1.60217646E-19; // Coulumbs.
 129     const Double_t kbqe = 8.617342312E-5; // Volt/degree K
 130     Double_t m = MobilityElectronSiEmp();
 131     Double_t T = fT;
 132
 133     return m*kbqe*T;  // [cm^2/sec]
 134 }
 135 //______________________________________________________________________
 136 Double_t AliITSresponse::DiffusionCoefficientHole() const {
 137     // Computes the Diffusion coefficient for Holes in cm^2/sec. Taken
 138     // from SILVACO International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework,
 139     // User Manual Chapter 5 Equation 5-53. Einstein relations for diffusion
 140     // coefficient. Note: 1 cm^2/sec = 10 microns^2/nanosec.
 141     // Inputs:
 142     //    none.
 143     // Output:
 144     //    none.
 145     // Return:
 146     //    The Defusion Coefficient of Hole in Si at a give temprature and
 147     //    impurity concentration. [cm^2/sec]
 148     //    and impurity concentration. [cm^2/sec]
 149     // const Double_t kb = 1.3806503E-23; // Joules/degree K
 150     // const Double_t qe = 1.60217646E-19; // Coulumbs.
 151     const Double_t kbqe = 8.617342312E-5; // Volt/degree K
 152     Double_t m = MobilityHoleSiEmp();
 153     Double_t T = fT;
 154
 155     return m*kbqe*T;  // [cm^2/sec]
 156 }
 157 //______________________________________________________________________
 158 Double_t AliITSresponse::SpeedElectron() const {
 159     // Computes the average speed for electrons in Si under the low-field
 160     // approximation. [cm/sec].
 161     // Inputs:
 162     //    none.
 163     // Output:
 164     //    none.
 165     // Return:
 166     //    The speed the holes are traveling at due to the low field applied.
 167     //    [cm/sec]
 168     Double_t m = MobilityElectronSiEmp();
 169
 170     return m/fdv;  // [cm/sec]
 171 }
 172 //______________________________________________________________________
 173 Double_t AliITSresponse::SpeedHole() const {
 174     // Computes the average speed for Holes in Si under the low-field
 175     // approximation.[cm/sec].
 176     // Inputs:
 177     //    none.
 178     // Output:
 179     //    none.
 180     // Return:
 181     //    The speed the holes are traveling at due to the low field applied.
 182     //    [cm/sec]
 183     Double_t m = MobilityHoleSiEmp();
 184
 185     return m/fdv;  // [cm/sec]
 186 }
 187 //______________________________________________________________________
 188 Double_t AliITSresponse::SigmaDiffusion3D(Double_t l) const {
 189     // Returns the Gaussian sigma^2 == <x^2+y^2+z^2> [cm^2] due to the
 190     // defusion of electrons or holes through a distance l [cm] caused
 191     // by an applied voltage v [volt] through a distance d [cm] in any
 192     //  material at a temperature T [degree K]. The sigma diffusion when
 193     //  expressed in terms of the distance over which the diffusion
 194     // occures, l=time/speed, is independent of the mobility and therefore
 195     //  the properties of the material. The charge distributions is given by
 196     // n = exp(-r^2/4Dt)/(4piDt)^1.5. From this <r^2> = 6Dt where D=mkT/e
 197     // (m==mobility, k==Boltzman's constant, T==temparature, e==electric
 198     // charge. and vel=m*v/d. consiquently sigma^2=6kTdl/ev.
 199     // Inputs:
 200     //    Double_t l   Distance the charge has to travel.
 201     // Output:
 202     //    none.
 203     // Return:
 204     //    The Sigma due to the diffution of electrons. [cm]
 205     const Double_t con = 5.17040258E-04; // == 6k/e [J/col or volts]
 206
 207     return TMath::Sqrt(con*fT*fdv*l);  // [cm]
 208 }
 209 //______________________________________________________________________
 210 Double_t AliITSresponse::SigmaDiffusion2D(Double_t l) const {
 211     // Returns the Gaussian sigma^2 == <x^2+z^2> [cm^2] due to the defusion
 212     // of electrons or holes through a distance l [cm] caused by an applied
 213     // voltage v [volt] through a distance d [cm] in any material at a
 214     // temperature T [degree K]. The sigma diffusion when expressed in terms
 215     // of the distance over which the diffusion occures, l=time/speed, is
 216     // independent of the mobility and therefore the properties of the
 217     // material. The charge distributions is given by
 218     // n = exp(-r^2/4Dt)/(4piDt)^1.5. From this <x^2+z^2> = 4Dt where D=mkT/e
 219     // (m==mobility, k==Boltzman's constant, T==temparature, e==electric
 220     // charge. and vel=m*v/d. consiquently sigma^2=4kTdl/ev.
 221     // Inputs:
 222     //    Double_t l   Distance the charge has to travel.
 223     // Output:
 224     //    none.
 225     // Return:
 226     //    The Sigma due to the diffution of electrons. [cm]
 227     const Double_t con = 3.446935053E-04; // == 4k/e [J/col or volts]
 228
 229     return TMath::Sqrt(con*fT*fdv*l);  // [cm]
 230 }
 231 //______________________________________________________________________
 232 Double_t AliITSresponse::SigmaDiffusion1D(Double_t l) const {
 233     // Returns the Gaussian sigma^2 == <x^2> [cm^2] due to the defusion
 234     // of electrons or holes through a distance l [cm] caused by an applied
 235     // voltage v [volt] through a distance d [cm] in any material at a
 236     // temperature T [degree K]. The sigma diffusion when expressed in terms
 237     // of the distance over which the diffusion occures, l=time/speed, is
 238     // independent of the mobility and therefore the properties of the
 239     // material. The charge distributions is given by
 240     // n = exp(-r^2/4Dt)/(4piDt)^1.5. From this <r^2> = 2Dt where D=mkT/e
 241     // (m==mobility, k==Boltzman's constant, T==temparature, e==electric
 242     // charge. and vel=m*v/d. consiquently sigma^2=2kTdl/ev.
 243     // Inputs:
 244     //    Double_t l   Distance the charge has to travel.
 245     // Output:
 246     //    none.
 247     // Return:
 248     //    The Sigma due to the diffution of electrons. [cm]
 249     const Double_t con = 1.723467527E-04; // == 2k/e [J/col or volts]
 250
 251     return TMath::Sqrt(con*fT*fdv*l);  // [cm]
 252 }
 253 //----------------------------------------------------------------------
 254 void AliITSresponse::Print(ostream *os){
 255   // Standard output format for this class.
 256   // Inputs:
 257   //    ostream *os  Pointer to the output stream
 258   // Outputs:
 259   //    none:
 260   // Return:
 261   //    none.
 262 #if defined __GNUC__
 263 #if __GNUC__ > 2
 264     ios::fmtflags fmt;
 265 #else
 266     Int_t fmt;
 267 #endif
 268 #else
 269 #if defined __ICC || defined __ECC
 270     ios::fmtflags fmt;
 271 #else
 272     Int_t fmt;
 273 #endif
 274 #endif
 275
 276     fmt = os->setf(ios::scientific);  // set scientific floating point output
 277     *os << fdv << " " << fN << " " << fT << " ";
 278     *os << fGeVcharge;
 279 //    *os << " " << endl;
 280     os->flags(fmt); // reset back to old formating.
 281     return;
 282 }
 283 //----------------------------------------------------------------------
 284 void AliITSresponse::Read(istream *is){
 285   // Standard input format for this class.
 286   // Inputs:
 287   //    ostream *os  Pointer to the output stream
 288   // Outputs:
 289   //    none:
 290   // Return:
 291   //    none.
 292
 293     *is >> fdv >> fN >> fT >> fGeVcharge;
 294     return;
 295 }
 296 //----------------------------------------------------------------------
 297 ostream &operator<<(ostream &os,AliITSresponse &p){
 298   // Standard output streaming function.
 299   // Inputs:
 300   //    ostream *os  Pointer to the output stream
 301   // Outputs:
 302   //    none:
 303   // Return:
 304   //    none.
 305
 306     p.Print(&os);
 307     return os;
 308 }
 309 //----------------------------------------------------------------------
 310 istream &operator>>(istream &is,AliITSresponse &r){
 311   // Standard input streaming function.
 312   // Inputs:
 313   //    ostream *os  Pointer to the output stream
 314   // Outputs:
 315   //    none:
 316   // Return:
 317   //    none.
 318
 319     r.Read(&is);
 320     return is;
 321 }
 322 //----------------------------------------------------------------------