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
  28 ClassImp(AliITSCalibration)
  29
  30 //______________________________________________________________________
  31 AliITSCalibration::AliITSCalibration(){
  32     // Default Constructor
  33
  34     fdv = 0.000375;  // 300 microns and 80 volts.
  35     fN  = 0.0;
  36     fT  = 300.0;
  37     SetGeVToCharge();
  38     fResponse = 0;
  39 }
  40 //______________________________________________________________________
  41 AliITSCalibration::AliITSCalibration(Double_t thickness){
  42     // Default Constructor
  43
  44     fdv = thickness/80.0;   // 80 volts.
  45     fN  = 0.0;
  46     fT  = 300.0;
  47     SetGeVToCharge();
  48     fResponse = 0;
  49 }
  50 //______________________________________________________________________
  51 AliITSCalibration::AliITSCalibration(const AliITSCalibration &ob) : TObject(ob) {
  52   // Copy constructor
  53   // Copies are not allowed. The method is protected to avoid misuse.
  54   Error("AliITSCalibration","Copy constructor not allowed\n");
  55 }
  56
  57 //______________________________________________________________________
  58 AliITSCalibration& AliITSCalibration::operator=(const AliITSCalibration& /* ob */){
  59   // Assignment operator
  60   // Assignment is not allowed. The method is protected to avoid misuse.
  61   Error("= operator","Assignment operator not allowed\n");
  62   return *this;
  63 }
  64
  65 //______________________________________________________________________
  66 Double_t AliITSCalibration::MobilityElectronSiEmp() const {
  67     // Computes the electron mobility in cm^2/volt-sec. Taken from SILVACO
  68     // International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework, User Manual
  69     // Chapter 5 Equation 5-6. An empirical function for low-field mobiliity
  70     // in silicon at different tempeatures.
  71     // Inputs:
  72     //    none.
  73     // Output:
  74     //    none.
  75     // Return:
  76     //    The Mobility of electrons in Si at a give temprature and impurity
  77     //    concentration. [cm^2/Volt-sec]
  78     const Double_t km0  = 55.24; // cm^2/Volt-sec
  79     const Double_t km1  = 7.12E+08; // cm^2 (degree K)^2.3 / Volt-sec
  80     const Double_t kN0  = 1.072E17; // #/cm^3
  81     const Double_t kT0  = 300.; // degree K.
  82     const Double_t keT0 = -2.3; // Power of Temp.
  83     const Double_t keT1 = -3.8; // Power of Temp.
  84     const Double_t keN  = 0.73; // Power of Dopent Consentrations
  85     Double_t m;
  86     Double_t tT = fT,nN = fN;
  87
  88     if(nN<=0.0){ // Simple case.
  89         if(tT==300.) return 1350.0; // From Table 5-1 at consentration 1.0E14.
  90         m = km1*TMath::Power(tT,keT0);
  91         return m;
  92     } // if nN<=0.0
  93     m = km1*TMath::Power(tT,keT0) - km0;
  94     m /= 1.0 + TMath::Power(tT/kT0,keT1)*TMath::Power(nN/kN0,keN);
  95     m += km0;
  96     return m;
  97 }
  98 //______________________________________________________________________
  99 Double_t AliITSCalibration::MobilityHoleSiEmp() const {
 100     // Computes the Hole mobility in cm^2/volt-sec. Taken from SILVACO
 101     // International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework, User Manual
 102     // Chapter 5 Equation 5-7 An empirical function for low-field mobiliity
 103     // in silicon at different tempeatures.
 104     // Inputs:
 105     //    none.
 106     // Output:
 107     //    none.
 108     // Return:
 109     //    The Mobility of Hole in Si at a give temprature and impurity
 110     //    concentration. [cm^2/Volt-sec]
 111     const Double_t km0a = 49.74; // cm^2/Volt-sec
 112     const Double_t km0b = 49.70; // cm^2/Volt-sec
 113     const Double_t km1  = 1.35E+08; // cm^2 (degree K)^2.3 / Volt-sec
 114     const Double_t kN0  = 1.606E17; // #/cm^3
 115     const Double_t kT0  = 300.; // degree K.
 116     const Double_t keT0 = -2.2; // Power of Temp.
 117     const Double_t keT1 = -3.7; // Power of Temp.
 118     const Double_t keN  = 0.70; // Power of Dopent Consentrations
 119     Double_t m;
 120     Double_t tT = fT,nN = fN;
 121
 122     if(nN<=0.0){ // Simple case.
 123         if(tT==300.) return 495.0; // From Table 5-1 at consentration 1.0E14.
 124         m = km1*TMath::Power(tT,keT0) + km0a-km0b;
 125         return m;
 126     } // if nN<=0.0
 127     m = km1*TMath::Power(tT,keT0) - km0b;
 128     m /= 1.0 + TMath::Power(tT/kT0,keT1)*TMath::Power(nN/kN0,keN);
 129     m += km0a;
 130     return m;
 131 }
 132 //______________________________________________________________________
 133 Double_t AliITSCalibration::DiffusionCoefficientElectron() const {
 134     // Computes the Diffusion coefficient for electrons in cm^2/sec. Taken
 135     // from SILVACO International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework,
 136     // User Manual Chapter 5 Equation 5-53. Einstein relations for diffusion
 137     // coefficient. Note: 1 cm^2/sec = 10 microns^2/nanosec.
 138     // Inputs:
 139     //    none.
 140     // Output:
 141     //    none.
 142     // Return:
 143     //    The Diffusion Coefficient of electrons in Si at a give temprature
 144     //    and impurity concentration. [cm^2/sec]
 145     // const Double_t kb = 1.3806503E-23; // Joules/degree K
 146     // const Double_t qe = 1.60217646E-19; // Coulumbs.
 147     const Double_t kbqe = 8.617342312E-5; // Volt/degree K
 148     Double_t m = MobilityElectronSiEmp();
 149     Double_t tT = fT;
 150
 151     return m*kbqe*tT;  // [cm^2/sec]
 152 }
 153 //______________________________________________________________________
 154 Double_t AliITSCalibration::DiffusionCoefficientHole() const {
 155     // Computes the Diffusion coefficient for Holes in cm^2/sec. Taken
 156     // from SILVACO International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework,
 157     // User Manual Chapter 5 Equation 5-53. Einstein relations for diffusion
 158     // coefficient. Note: 1 cm^2/sec = 10 microns^2/nanosec.
 159     // Inputs:
 160     //    none.
 161     // Output:
 162     //    none.
 163     // Return:
 164     //    The Defusion Coefficient of Hole in Si at a give temprature and
 165     //    impurity concentration. [cm^2/sec]
 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 = MobilityHoleSiEmp();
 171     Double_t tT = fT;
 172
 173     return m*kbqe*tT;  // [cm^2/sec]
 174 }
 175 //______________________________________________________________________
 176 Double_t AliITSCalibration::SpeedElectron() const {
 177     // Computes the average speed for electrons in Si under the low-field
 178     // approximation. [cm/sec].
 179     // Inputs:
 180     //    none.
 181     // Output:
 182     //    none.
 183     // Return:
 184     //    The speed the holes are traveling at due to the low field applied.
 185     //    [cm/sec]
 186     Double_t m = MobilityElectronSiEmp();
 187
 188     return m/fdv;  // [cm/sec]
 189 }
 190 //______________________________________________________________________
 191 Double_t AliITSCalibration::SpeedHole() const {
 192     // Computes the average speed for Holes in Si under the low-field
 193     // approximation.[cm/sec].
 194     // Inputs:
 195     //    none.
 196     // Output:
 197     //    none.
 198     // Return:
 199     //    The speed the holes are traveling at due to the low field applied.
 200     //    [cm/sec]
 201     Double_t m = MobilityHoleSiEmp();
 202
 203     return m/fdv;  // [cm/sec]
 204 }
 205 //______________________________________________________________________
 206 Double_t AliITSCalibration::SigmaDiffusion3D(Double_t l) const {
 207     // Returns the Gaussian sigma^2 == <x^2+y^2+z^2> [cm^2] due to the
 208     // defusion of electrons or holes through a distance l [cm] caused
 209     // by an applied voltage v [volt] through a distance d [cm] in any
 210     //  material at a temperature T [degree K]. The sigma diffusion when
 211     //  expressed in terms of the distance over which the diffusion
 212     // occures, l=time/speed, is independent of the mobility and therefore
 213     //  the properties of the material. The charge distributions is given by
 214     // n = exp(-r^2/4Dt)/(4piDt)^1.5. From this <r^2> = 6Dt where D=mkT/e
 215     // (m==mobility, k==Boltzman's constant, T==temparature, e==electric
 216     // charge. and vel=m*v/d. consiquently sigma^2=6kTdl/ev.
 217     // Inputs:
 218     //    Double_t l   Distance the charge has to travel.
 219     // Output:
 220     //    none.
 221     // Return:
 222     //    The Sigma due to the diffution of electrons. [cm]
 223     const Double_t kcon = 5.17040258E-04; // == 6k/e [J/col or volts]
 224
 225     return TMath::Sqrt(kcon*fT*fdv*l);  // [cm]
 226 }
 227 //______________________________________________________________________
 228 Double_t AliITSCalibration::SigmaDiffusion2D(Double_t l) const {
 229     // Returns the Gaussian sigma^2 == <x^2+z^2> [cm^2] due to the defusion
 230     // of electrons or holes through a distance l [cm] caused by an applied
 231     // voltage v [volt] through a distance d [cm] in any material at a
 232     // temperature T [degree K]. The sigma diffusion when expressed in terms
 233     // of the distance over which the diffusion occures, l=time/speed, is
 234     // independent of the mobility and therefore the properties of the
 235     // material. The charge distributions is given by
 236     // n = exp(-r^2/4Dt)/(4piDt)^1.5. From this <x^2+z^2> = 4Dt 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=4kTdl/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 = 3.446935053E-04; // == 4k/e [J/col or volts]
 246
 247     return TMath::Sqrt(kcon*fT*fdv*l);  // [cm]
 248 }
 249 //______________________________________________________________________
 250 Double_t AliITSCalibration::SigmaDiffusion1D(Double_t l) const {
 251     // Returns the Gaussian sigma^2 == <x^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 <r^2> = 2Dt 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=2kTdl/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 = 1.723467527E-04; // == 2k/e [J/col or volts]
 268
 269     return TMath::Sqrt(kcon*fT*fdv*l);  // [cm]
 270 }
 271 //----------------------------------------------------------------------
 272 Double_t AliITSCalibration::DepletedRegionThicknessA(Double_t dopCons,
 273                                                  Double_t voltage,
 274                                                  Double_t elecCharge,
 275                                                  Double_t voltBuiltIn)const{
 276     // Computes the thickness of the depleted region in Si due to the
 277     // application of an external bias voltage. From the Particle Data
 278     // Book, 28.8 Silicon semiconductor detectors equation 28.19 (2004)
 279     // Physics Letters B "Review of Particle Physics" Volume 592, Issue 1-4
 280     // July 15 2004, ISSN 0370-2693 page 263. First equation.
 281     // Inputs:
 282     //    Double_t dopCons           "N" doping concentration
 283     //    Double_t voltage           "V" external bias voltage
 284     //    Double_t elecCharge        "e" electronic charge
 285     //    Double_t voltBuiltIn=0.5   "V_bi" "built-in" Voltage (~0.5V for
 286     //                               resistivities typically used in detectors)
 287     // Output:
 288     //    none.
 289     // Return:
 290     //    The thickness of the depleted region
 291
 292     return TMath::Sqrt(2.0*(voltage+voltBuiltIn)/(dopCons*elecCharge));
 293 }
 294 //----------------------------------------------------------------------
 295 Double_t AliITSCalibration::DepletedRegionThicknessB(Double_t resist,
 296                                                  Double_t voltage,
 297                                                  Double_t mobility,
 298                                                  Double_t voltBuiltIn,
 299                                                  Double_t dielConst)const{
 300     // Computes the thickness of the depleted region in Si due to the
 301     // application of an external bias voltage. From the Particle Data
 302     // Book, 28.8 Silicon semiconductor detectors equation 28.19 (2004)
 303     // Physics Letters B "Review of Particle Physics" Volume 592, Issue 1-4
 304     // July 15 2004, ISSN 0370-2693 page 263. Second Equation.
 305     // Inputs:
 306     //    Double_t resist            "rho" resistivity (typically 1-10 kOhm cm)
 307     //    Double_t voltage           "V" external bias voltage
 308     //    Double_t mobility          "mu" charge carrier mobility
 309     //                                  (electons 1350, holes 450 cm^2/V/s)
 310     //    Double_t voltBuiltIn=0.5   "V_bi" "built-in" Voltage (~0.5V for
 311     //                               resistivities typically used in detectors)
 312     //    Double_t dielConst=1.E-12  "epsilon" dielectric constant = 11.9 *
 313     //                                (permittivity of free space) or ~ 1 pF/cm
 314     // Output:
 315     //    none.
 316     // Return:
 317     //    The thickness of the depleted region
 318
 319     return TMath::Sqrt(2.8*resist*mobility*dielConst*(voltage+voltBuiltIn));
 320 }
 321 //----------------------------------------------------------------------
 322 Double_t AliITSCalibration::ReverseBiasCurrent(Double_t temp,
 323                                             Double_t revBiasCurT1,
 324                                             Double_t tempT1,
 325                                             Double_t energy)const{
 326     // Computes the temperature dependance of the reverse bias current
 327     // of Si detectors. From the Particle Data
 328     // Book, 28.8 Silicon semiconductor detectors equation 28.21 (2004)
 329     // Physics Letters B "Review of Particle Physics" Volume 592, Issue 1-4
 330     // July 15 2004, ISSN 0370-2693 page 263.
 331     // Inputs:
 332     //    Double_t temp         The temperature at which the current is wanted
 333     //    Double_t revBiasCurT1 The reference bias current at temp T1
 334     //    Double_t tempT1       The temperature correstponding to revBiasCurT1
 335     //    Double_t energy=1.2   Some energy [eV]
 336     // Output:
 337     //    none.
 338     // Return:
 339     //    The reverse bias current at the tempeature temp.
 340     const Double_t kBoltz = 8.617343E-5; //[eV/K]
 341
 342     return revBiasCurT1*(temp*temp/(tempT1*tempT1))*
 343         TMath::Exp(-0.5*energy*(tempT1-temp)/(kBoltz*tempT1*temp));
 344 }
 345 //----------------------------------------------------------------------
 346 void AliITSCalibration::Print(ostream *os) const {
 347   // Standard output format for this class.
 348   // Inputs:
 349     *os << fdv << " " << fN << " " << fT << " ";
 350     *os << fGeVcharge;
 351   //    printf("%-10.6e  %-10.6e %-10.6e %-10.6e \n",fdv,fN,fT,fGeVcharge);
 352     return;
 353 }
 354 //----------------------------------------------------------------------
 355 void AliITSCalibration::Read(istream *is) {
 356   // Standard input format for this class.
 357   // Inputs:
 358   //    ostream *is  Pointer to the output stream
 359   // Outputs:
 360   //    none:
 361   // Return:
 362   //    none.
 363
 364     *is >> fdv >> fN >> fT >> fGeVcharge;
 365     return;
 366 }
 367 //----------------------------------------------------------------------
 368
 369 ostream &operator<<(ostream &os,AliITSCalibration &p){
 370   // Standard output streaming function.
 371   // Inputs:
 372   //    ostream *os  Pointer to the output stream
 373   // Outputs:
 374   //    none:
 375   // Return:
 376   //    none.
 377
 378     p.Print(&os);
 379     return os;
 380 }
 381
 382 //----------------------------------------------------------------------
 383 istream &operator>>(istream &is,AliITSCalibration &r){
 384   // Standard input streaming function.
 385   // Inputs:
 386   //    ostream *os  Pointer to the output stream
 387   // Outputs:
 388   //    none:
 389   // Return:
 390   //    none.
 391
 392     r.Read(&is);
 393     return is;
 394 }
 395 //----------------------------------------------------------------------