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 /* $Id$ */
  17
  18 //////////////////////////////////////////////////////
  19 //  Calibration class for set:ITS                   //
  20 //  Specific subdetector implementation is done in  //
  21 //  AliITSCalibrationSPD                            //
  22 //  AliITSCalibrationSDD                            //
  23 //  AliITSCalibrationSSD                            //
  24 //////////////////////////////////////////////////////
  25
  26 #include <Riostream.h>
  27 #include <TMath.h>
  28
  29 #include "AliITSCalibration.h"
  30 #include "AliLog.h"
  31
  32 ClassImp(AliITSCalibration)
  33
  34 //______________________________________________________________________
  35 AliITSCalibration::AliITSCalibration():
  36 TObject(),
  37 fDataType(),
  38 fdv(0.000375),
  39 fN(0.),
  40 fT(300.),
  41 fGeVcharge(0.),
  42 fResponse(){
  43     // Default Constructor (300 microns and 80 volts)
  44
  45     SetGeVToCharge();
  46     fResponse = 0;
  47 }
  48 //______________________________________________________________________
  49 AliITSCalibration::AliITSCalibration(Double_t thickness):
  50 TObject(),
  51 fDataType(),
  52 fdv(0.),
  53 fN(0.),
  54 fT(300.),
  55 fGeVcharge(0.),
  56 fResponse(){
  57     // Default Constructor
  58
  59     fdv = thickness/80.0;   // 80 volts.
  60     SetGeVToCharge();
  61     fResponse = 0;
  62 }
  63
  64 //______________________________________________________________________
  65 AliITSCalibration::AliITSCalibration(const AliITSCalibration &ob):
  66 TObject(ob),
  67 fDataType(ob.fDataType),
  68 fdv(ob.fdv),
  69 fN(ob.fN),
  70 fT(ob.fT),
  71 fGeVcharge(ob.fGeVcharge),
  72 fResponse(ob.fResponse)
  73 {
  74   // Copy constructor
  75
  76 }
  77 /*
  78 //______________________________________________________________________________
  79 AliITSCalibration& AliITSCalibration::operator= (const AliITSCalibration& source)
  80 {
  81   // Asignment operator
  82
  83   this->~AliITSCalibration();
  84   new(this) AliITSCalibration(source);
  85   return *this;
  86
  87
  88 }
  89 */
  90 //______________________________________________________________________
  91 Double_t AliITSCalibration::MobilityElectronSiEmp() const {
  92     // Computes the electron mobility in cm^2/volt-sec. Taken from SILVACO
  93     // International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework, User Manual
  94     // Chapter 5 Equation 5-6. An empirical function for low-field mobiliity
  95     // in silicon at different tempeatures.
  96     // Inputs:
  97     //    none.
  98     // Output:
  99     //    none.
 100     // Return:
 101     //    The Mobility of electrons in Si at a give temprature and impurity
 102     //    concentration. [cm^2/Volt-sec]
 103     const Double_t km0  = 55.24; // cm^2/Volt-sec
 104     const Double_t km1  = 7.12E+08; // cm^2 (degree K)^2.3 / Volt-sec
 105     const Double_t kN0  = 1.072E17; // #/cm^3
 106     const Double_t kT0  = 300.; // degree K.
 107     const Double_t keT0 = -2.3; // Power of Temp.
 108     const Double_t keT1 = -3.8; // Power of Temp.
 109     const Double_t keN  = 0.73; // Power of Dopent Consentrations
 110     Double_t m;
 111     Double_t tT = fT,nN = fN;
 112
 113     if(nN<=0.0){ // Simple case.
 114         if(tT==300.) return 1350.0; // From Table 5-1 at consentration 1.0E14.
 115         m = km1*TMath::Power(tT,keT0);
 116         return m;
 117     } // if nN<=0.0
 118     m = km1*TMath::Power(tT,keT0) - km0;
 119     m /= 1.0 + TMath::Power(tT/kT0,keT1)*TMath::Power(nN/kN0,keN);
 120     m += km0;
 121     return m;
 122 }
 123 //______________________________________________________________________
 124 Double_t AliITSCalibration::MobilityHoleSiEmp() const {
 125     // Computes the Hole mobility in cm^2/volt-sec. Taken from SILVACO
 126     // International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework, User Manual
 127     // Chapter 5 Equation 5-7 An empirical function for low-field mobiliity
 128     // in silicon at different tempeatures.
 129     // Inputs:
 130     //    none.
 131     // Output:
 132     //    none.
 133     // Return:
 134     //    The Mobility of Hole in Si at a give temprature and impurity
 135     //    concentration. [cm^2/Volt-sec]
 136     const Double_t km0a = 49.74; // cm^2/Volt-sec
 137     const Double_t km0b = 49.70; // cm^2/Volt-sec
 138     const Double_t km1  = 1.35E+08; // cm^2 (degree K)^2.3 / Volt-sec
 139     const Double_t kN0  = 1.606E17; // #/cm^3
 140     const Double_t kT0  = 300.; // degree K.
 141     const Double_t keT0 = -2.2; // Power of Temp.
 142     const Double_t keT1 = -3.7; // Power of Temp.
 143     const Double_t keN  = 0.70; // Power of Dopent Consentrations
 144     Double_t m;
 145     Double_t tT = fT,nN = fN;
 146
 147     if(nN<=0.0){ // Simple case.
 148         if(tT==300.) return 495.0; // From Table 5-1 at consentration 1.0E14.
 149         m = km1*TMath::Power(tT,keT0) + km0a-km0b;
 150         return m;
 151     } // if nN<=0.0
 152     m = km1*TMath::Power(tT,keT0) - km0b;
 153     m /= 1.0 + TMath::Power(tT/kT0,keT1)*TMath::Power(nN/kN0,keN);
 154     m += km0a;
 155     return m;
 156 }
 157 //______________________________________________________________________
 158 Double_t AliITSCalibration::DiffusionCoefficientElectron() const {
 159     // Computes the Diffusion coefficient for electrons in cm^2/sec. Taken
 160     // from SILVACO International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework,
 161     // User Manual Chapter 5 Equation 5-53. Einstein relations for diffusion
 162     // coefficient. Note: 1 cm^2/sec = 10 microns^2/nanosec.
 163     // Inputs:
 164     //    none.
 165     // Output:
 166     //    none.
 167     // Return:
 168     //    The Diffusion Coefficient of electrons in Si at a give temprature
 169     //    and impurity concentration. [cm^2/sec]
 170     // const Double_t kb = 1.3806503E-23; // Joules/degree K
 171     // const Double_t qe = 1.60217646E-19; // Coulumbs.
 172     const Double_t kbqe = 8.617342312E-5; // Volt/degree K
 173     Double_t m = MobilityElectronSiEmp();
 174     Double_t tT = fT;
 175
 176     return m*kbqe*tT;  // [cm^2/sec]
 177 }
 178 //______________________________________________________________________
 179 Double_t AliITSCalibration::DiffusionCoefficientHole() const {
 180     // Computes the Diffusion coefficient for Holes in cm^2/sec. Taken
 181     // from SILVACO International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework,
 182     // User Manual Chapter 5 Equation 5-53. Einstein relations for diffusion
 183     // coefficient. Note: 1 cm^2/sec = 10 microns^2/nanosec.
 184     // Inputs:
 185     //    none.
 186     // Output:
 187     //    none.
 188     // Return:
 189     //    The Defusion Coefficient of Hole in Si at a give temprature and
 190     //    impurity concentration. [cm^2/sec]
 191     //    and impurity concentration. [cm^2/sec]
 192     // const Double_t kb = 1.3806503E-23; // Joules/degree K
 193     // const Double_t qe = 1.60217646E-19; // Coulumbs.
 194     const Double_t kbqe = 8.617342312E-5; // Volt/degree K
 195     Double_t m = MobilityHoleSiEmp();
 196     Double_t tT = fT;
 197
 198     return m*kbqe*tT;  // [cm^2/sec]
 199 }
 200 //______________________________________________________________________
 201 Double_t AliITSCalibration::SpeedElectron() const {
 202     // Computes the average speed for electrons in Si under the low-field
 203     // approximation. [cm/sec].
 204     // Inputs:
 205     //    none.
 206     // Output:
 207     //    none.
 208     // Return:
 209     //    The speed the holes are traveling at due to the low field applied.
 210     //    [cm/sec]
 211     Double_t m = MobilityElectronSiEmp();
 212
 213     return m/fdv;  // [cm/sec]
 214 }
 215 //______________________________________________________________________
 216 Double_t AliITSCalibration::SpeedHole() const {
 217     // Computes the average speed for Holes in Si under the low-field
 218     // approximation.[cm/sec].
 219     // Inputs:
 220     //    none.
 221     // Output:
 222     //    none.
 223     // Return:
 224     //    The speed the holes are traveling at due to the low field applied.
 225     //    [cm/sec]
 226     Double_t m = MobilityHoleSiEmp();
 227
 228     return m/fdv;  // [cm/sec]
 229 }
 230 //______________________________________________________________________
 231 Double_t AliITSCalibration::SigmaDiffusion3D(Double_t l) const {
 232     // Returns the Gaussian sigma^2 == <x^2+y^2+z^2> [cm^2] due to the
 233     // defusion of electrons or holes through a distance l [cm] caused
 234     // by an applied voltage v [volt] through a distance d [cm] in any
 235     //  material at a temperature T [degree K]. The sigma diffusion when
 236     //  expressed in terms of the distance over which the diffusion
 237     // occures, l=time/speed, is independent of the mobility and therefore
 238     //  the properties of the material. The charge distributions is given by
 239     // n = exp(-r^2/4Dt)/(4piDt)^1.5. From this <r^2> = 6Dt where D=mkT/e
 240     // (m==mobility, k==Boltzman's constant, T==temparature, e==electric
 241     // charge. and vel=m*v/d. consiquently sigma^2=6kTdl/ev.
 242     // Inputs:
 243     //    Double_t l   Distance the charge has to travel.
 244     // Output:
 245     //    none.
 246     // Return:
 247     //    The Sigma due to the diffution of electrons. [cm]
 248     const Double_t kcon = 5.17040258E-04; // == 6k/e [J/col or volts]
 249
 250     return TMath::Sqrt(kcon*fT*fdv*l);  // [cm]
 251 }
 252 //______________________________________________________________________
 253 Double_t AliITSCalibration::SigmaDiffusion2D(Double_t l) const {
 254     // Returns the Gaussian sigma^2 == <x^2+z^2> [cm^2] due to the defusion
 255     // of electrons or holes through a distance l [cm] caused by an applied
 256     // voltage v [volt] through a distance d [cm] in any material at a
 257     // temperature T [degree K]. The sigma diffusion when expressed in terms
 258     // of the distance over which the diffusion occures, l=time/speed, is
 259     // independent of the mobility and therefore the properties of the
 260     // material. The charge distributions is given by
 261     // n = exp(-r^2/4Dt)/(4piDt)^1.5. From this <x^2+z^2> = 4Dt where D=mkT/e
 262     // (m==mobility, k==Boltzman's constant, T==temparature, e==electric
 263     // charge. and vel=m*v/d. consiquently sigma^2=4kTdl/ev.
 264     // Inputs:
 265     //    Double_t l   Distance the charge has to travel.
 266     // Output:
 267     //    none.
 268     // Return:
 269     //    The Sigma due to the diffution of electrons. [cm]
 270     const Double_t kcon = 3.446935053E-04; // == 4k/e [J/col or volts]
 271
 272     return TMath::Sqrt(kcon*fT*fdv*l);  // [cm]
 273 }
 274 //______________________________________________________________________
 275 Double_t AliITSCalibration::SigmaDiffusion1D(Double_t l) const {
 276     // Returns the Gaussian sigma^2 == <x^2> [cm^2] due to the defusion
 277     // of electrons or holes through a distance l [cm] caused by an applied
 278     // voltage v [volt] through a distance d [cm] in any material at a
 279     // temperature T [degree K]. The sigma diffusion when expressed in terms
 280     // of the distance over which the diffusion occures, l=time/speed, is
 281     // independent of the mobility and therefore the properties of the
 282     // material. The charge distributions is given by
 283     // n = exp(-r^2/4Dt)/(4piDt)^1.5. From this <r^2> = 2Dt where D=mkT/e
 284     // (m==mobility, k==Boltzman's constant, T==temparature, e==electric
 285     // charge. and vel=m*v/d. consiquently sigma^2=2kTdl/ev.
 286     // Inputs:
 287     //    Double_t l   Distance the charge has to travel.
 288     // Output:
 289     //    none.
 290     // Return:
 291     //    The Sigma due to the diffution of electrons. [cm]
 292     const Double_t kcon = 1.723467527E-04; // == 2k/e [J/col or volts]
 293
 294     return TMath::Sqrt(kcon*fT*fdv*l);  // [cm]
 295 }
 296 //----------------------------------------------------------------------
 297 Double_t AliITSCalibration::DepletedRegionThicknessA(Double_t dopCons,
 298                                                  Double_t voltage,
 299                                                  Double_t elecCharge,
 300                                                  Double_t voltBuiltIn)const{
 301     // Computes the thickness of the depleted region in Si due to the
 302     // application of an external bias voltage. From the Particle Data
 303     // Book, 28.8 Silicon semiconductor detectors equation 28.19 (2004)
 304     // Physics Letters B "Review of Particle Physics" Volume 592, Issue 1-4
 305     // July 15 2004, ISSN 0370-2693 page 263. First equation.
 306     // Inputs:
 307     //    Double_t dopCons           "N" doping concentration
 308     //    Double_t voltage           "V" external bias voltage
 309     //    Double_t elecCharge        "e" electronic charge
 310     //    Double_t voltBuiltIn=0.5   "V_bi" "built-in" Voltage (~0.5V for
 311     //                               resistivities typically used in detectors)
 312     // Output:
 313     //    none.
 314     // Return:
 315     //    The thickness of the depleted region
 316
 317     return TMath::Sqrt(2.0*(voltage+voltBuiltIn)/(dopCons*elecCharge));
 318 }
 319 //----------------------------------------------------------------------
 320 Double_t AliITSCalibration::DepletedRegionThicknessB(Double_t resist,
 321                                                  Double_t voltage,
 322                                                  Double_t mobility,
 323                                                  Double_t voltBuiltIn,
 324                                                  Double_t dielConst)const{
 325     // Computes the thickness of the depleted region in Si due to the
 326     // application of an external bias voltage. From the Particle Data
 327     // Book, 28.8 Silicon semiconductor detectors equation 28.19 (2004)
 328     // Physics Letters B "Review of Particle Physics" Volume 592, Issue 1-4
 329     // July 15 2004, ISSN 0370-2693 page 263. Second Equation.
 330     // Inputs:
 331     //    Double_t resist            "rho" resistivity (typically 1-10 kOhm cm)
 332     //    Double_t voltage           "V" external bias voltage
 333     //    Double_t mobility          "mu" charge carrier mobility
 334     //                                  (electons 1350, holes 450 cm^2/V/s)
 335     //    Double_t voltBuiltIn=0.5   "V_bi" "built-in" Voltage (~0.5V for
 336     //                               resistivities typically used in detectors)
 337     //    Double_t dielConst=1.E-12  "epsilon" dielectric constant = 11.9 *
 338     //                                (permittivity of free space) or ~ 1 pF/cm
 339     // Output:
 340     //    none.
 341     // Return:
 342     //    The thickness of the depleted region
 343
 344     return TMath::Sqrt(2.8*resist*mobility*dielConst*(voltage+voltBuiltIn));
 345 }
 346 //----------------------------------------------------------------------
 347 Double_t AliITSCalibration::ReverseBiasCurrent(Double_t temp,
 348                                             Double_t revBiasCurT1,
 349                                             Double_t tempT1,
 350                                             Double_t energy)const{
 351     // Computes the temperature dependance of the reverse bias current
 352     // of Si detectors. From the Particle Data
 353     // Book, 28.8 Silicon semiconductor detectors equation 28.21 (2004)
 354     // Physics Letters B "Review of Particle Physics" Volume 592, Issue 1-4
 355     // July 15 2004, ISSN 0370-2693 page 263.
 356     // Inputs:
 357     //    Double_t temp         The temperature at which the current is wanted
 358     //    Double_t revBiasCurT1 The reference bias current at temp T1
 359     //    Double_t tempT1       The temperature correstponding to revBiasCurT1
 360     //    Double_t energy=1.2   Some energy [eV]
 361     // Output:
 362     //    none.
 363     // Return:
 364     //    The reverse bias current at the tempeature temp.
 365     const Double_t kBoltz = 8.617343E-5; //[eV/K]
 366
 367     return revBiasCurT1*(temp*temp/(tempT1*tempT1))*
 368         TMath::Exp(-0.5*energy*(tempT1-temp)/(kBoltz*tempT1*temp));
 369 }
 370 //----------------------------------------------------------------------
 371 void AliITSCalibration::Print(ostream *os) const {
 372   // Standard output format for this class.
 373   // Inputs:
 374     *os << fdv << " " << fN << " " << fT << " ";
 375     *os << fGeVcharge;
 376   //    printf("%-10.6e  %-10.6e %-10.6e %-10.6e \n",fdv,fN,fT,fGeVcharge);
 377     return;
 378 }
 379 //----------------------------------------------------------------------
 380 void AliITSCalibration::Read(istream *is) {
 381   // Standard input format for this class.
 382   // Inputs:
 383   //    ostream *is  Pointer to the output stream
 384   // Outputs:
 385   //    none:
 386   // Return:
 387   //    none.
 388
 389     *is >> fdv >> fN >> fT >> fGeVcharge;
 390     return;
 391 }
 392 //----------------------------------------------------------------------
 393
 394 ostream &operator<<(ostream &os,AliITSCalibration &p){
 395   // Standard output streaming function.
 396   // Inputs:
 397   //    ostream *os  Pointer to the output stream
 398   // Outputs:
 399   //    none:
 400   // Return:
 401   //    none.
 402
 403     p.Print(&os);
 404     return os;
 405 }
 406
 407 //----------------------------------------------------------------------
 408 istream &operator>>(istream &is,AliITSCalibration &r){
 409   // Standard input streaming function.
 410   // Inputs:
 411   //    ostream *os  Pointer to the output stream
 412   // Outputs:
 413   //    none:
 414   // Return:
 415   //    none.
 416
 417     r.Read(&is);
 418     return is;
 419 }
 420 //----------------------------------------------------------------------