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 //  Specific subdetector implementation is done in  //
  21 //  AliITSresponseSPD                               //
  22 //  AliITSresponseSDD                               //
  23 //  AliITSresponseSSD                               //
  24 //////////////////////////////////////////////////////
  25 #include <Riostream.h>
  26 #include <TMath.h>
  27 #include "AliITSresponse.h"
  28
  29 ClassImp(AliITSresponse)
  30
  31 //______________________________________________________________________
  32 AliITSresponse::AliITSresponse(){
  33     // Default Constructor
  34
  35     fdv = 0.000375;  // 300 microns and 80 volts.
  36     fN  = 0.0;
  37     fT  = 300.0;
  38     SetGeVToCharge();
  39     SetFilenames();
  40 }
  41 //______________________________________________________________________
  42 AliITSresponse::AliITSresponse(Double_t thickness){
  43     // Default Constructor
  44
  45     fdv = thickness/80.0;   // 80 volts.
  46     fN  = 0.0;
  47     fT  = 300.0;
  48     SetGeVToCharge();
  49     SetFilenames();
  50 }
  51 //______________________________________________________________________
  52 Double_t AliITSresponse::MobilityElectronSiEmp() const {
  53     // Computes the electron mobility in cm^2/volt-sec. Taken from SILVACO
  54     // International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework, User Manual
  55     // Chapter 5 Equation 5-6. An empirical function for low-field mobiliity
  56     // in silicon at different tempeatures.
  57     // Inputs:
  58     //    none.
  59     // Output:
  60     //    none.
  61     // Return:
  62     //    The Mobility of electrons in Si at a give temprature and impurity
  63     //    concentration. [cm^2/Volt-sec]
  64     const Double_t km0  = 55.24; // cm^2/Volt-sec
  65     const Double_t km1  = 7.12E+08; // cm^2 (degree K)^2.3 / Volt-sec
  66     const Double_t kN0  = 1.072E17; // #/cm^3
  67     const Double_t kT0  = 300.; // degree K.
  68     const Double_t keT0 = -2.3; // Power of Temp.
  69     const Double_t keT1 = -3.8; // Power of Temp.
  70     const Double_t keN  = 0.73; // Power of Dopent Consentrations
  71     Double_t m;
  72     Double_t tT = fT,nN = fN;
  73
  74     if(nN<=0.0){ // Simple case.
  75         if(tT==300.) return 1350.0; // From Table 5-1 at consentration 1.0E14.
  76         m = km1*TMath::Power(tT,keT0);
  77         return m;
  78     } // if nN<=0.0
  79     m = km1*TMath::Power(tT,keT0) - km0;
  80     m /= 1.0 + TMath::Power(tT/kT0,keT1)*TMath::Power(nN/kN0,keN);
  81     m += km0;
  82     return m;
  83 }
  84 //______________________________________________________________________
  85 Double_t AliITSresponse::MobilityHoleSiEmp() const {
  86     // Computes the Hole mobility in cm^2/volt-sec. Taken from SILVACO
  87     // International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework, User Manual
  88     // Chapter 5 Equation 5-7 An empirical function for low-field mobiliity
  89     // in silicon at different tempeatures.
  90     // Inputs:
  91     //    none.
  92     // Output:
  93     //    none.
  94     // Return:
  95     //    The Mobility of Hole in Si at a give temprature and impurity
  96     //    concentration. [cm^2/Volt-sec]
  97     const Double_t km0a = 49.74; // cm^2/Volt-sec
  98     const Double_t km0b = 49.70; // cm^2/Volt-sec
  99     const Double_t km1  = 1.35E+08; // cm^2 (degree K)^2.3 / Volt-sec
 100     const Double_t kN0  = 1.606E17; // #/cm^3
 101     const Double_t kT0  = 300.; // degree K.
 102     const Double_t keT0 = -2.2; // Power of Temp.
 103     const Double_t keT1 = -3.7; // Power of Temp.
 104     const Double_t keN  = 0.70; // Power of Dopent Consentrations
 105     Double_t m;
 106     Double_t tT = fT,nN = fN;
 107
 108     if(nN<=0.0){ // Simple case.
 109         if(tT==300.) return 495.0; // From Table 5-1 at consentration 1.0E14.
 110         m = km1*TMath::Power(tT,keT0) + km0a-km0b;
 111         return m;
 112     } // if nN<=0.0
 113     m = km1*TMath::Power(tT,keT0) - km0b;
 114     m /= 1.0 + TMath::Power(tT/kT0,keT1)*TMath::Power(nN/kN0,keN);
 115     m += km0a;
 116     return m;
 117 }
 118 //______________________________________________________________________
 119 Double_t AliITSresponse::DiffusionCoefficientElectron() const {
 120     // Computes the Diffusion coefficient for electrons in cm^2/sec. Taken
 121     // from SILVACO International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework,
 122     // User Manual Chapter 5 Equation 5-53. Einstein relations for diffusion
 123     // coefficient. Note: 1 cm^2/sec = 10 microns^2/nanosec.
 124     // Inputs:
 125     //    none.
 126     // Output:
 127     //    none.
 128     // Return:
 129     //    The Diffusion Coefficient of electrons in Si at a give temprature
 130     //    and impurity concentration. [cm^2/sec]
 131     // const Double_t kb = 1.3806503E-23; // Joules/degree K
 132     // const Double_t qe = 1.60217646E-19; // Coulumbs.
 133     const Double_t kbqe = 8.617342312E-5; // Volt/degree K
 134     Double_t m = MobilityElectronSiEmp();
 135     Double_t tT = fT;
 136
 137     return m*kbqe*tT;  // [cm^2/sec]
 138 }
 139 //______________________________________________________________________
 140 Double_t AliITSresponse::DiffusionCoefficientHole() const {
 141     // Computes the Diffusion coefficient for Holes in cm^2/sec. Taken
 142     // from SILVACO International ATLAS II, 2D Device Simulation Framework,
 143     // User Manual Chapter 5 Equation 5-53. Einstein relations for diffusion
 144     // coefficient. Note: 1 cm^2/sec = 10 microns^2/nanosec.
 145     // Inputs:
 146     //    none.
 147     // Output:
 148     //    none.
 149     // Return:
 150     //    The Defusion Coefficient of Hole in Si at a give temprature and
 151     //    impurity concentration. [cm^2/sec]
 152     //    and impurity concentration. [cm^2/sec]
 153     // const Double_t kb = 1.3806503E-23; // Joules/degree K
 154     // const Double_t qe = 1.60217646E-19; // Coulumbs.
 155     const Double_t kbqe = 8.617342312E-5; // Volt/degree K
 156     Double_t m = MobilityHoleSiEmp();
 157     Double_t tT = fT;
 158
 159     return m*kbqe*tT;  // [cm^2/sec]
 160 }
 161 //______________________________________________________________________
 162 Double_t AliITSresponse::SpeedElectron() const {
 163     // Computes the average speed for electrons in Si under the low-field
 164     // approximation. [cm/sec].
 165     // Inputs:
 166     //    none.
 167     // Output:
 168     //    none.
 169     // Return:
 170     //    The speed the holes are traveling at due to the low field applied.
 171     //    [cm/sec]
 172     Double_t m = MobilityElectronSiEmp();
 173
 174     return m/fdv;  // [cm/sec]
 175 }
 176 //______________________________________________________________________
 177 Double_t AliITSresponse::SpeedHole() const {
 178     // Computes the average speed for Holes in Si under the low-field
 179     // approximation.[cm/sec].
 180     // Inputs:
 181     //    none.
 182     // Output:
 183     //    none.
 184     // Return:
 185     //    The speed the holes are traveling at due to the low field applied.
 186     //    [cm/sec]
 187     Double_t m = MobilityHoleSiEmp();
 188
 189     return m/fdv;  // [cm/sec]
 190 }
 191 //______________________________________________________________________
 192 Double_t AliITSresponse::SigmaDiffusion3D(Double_t l) const {
 193     // Returns the Gaussian sigma^2 == <x^2+y^2+z^2> [cm^2] due to the
 194     // defusion of electrons or holes through a distance l [cm] caused
 195     // by an applied voltage v [volt] through a distance d [cm] in any
 196     //  material at a temperature T [degree K]. The sigma diffusion when
 197     //  expressed in terms of the distance over which the diffusion
 198     // occures, l=time/speed, is independent of the mobility and therefore
 199     //  the properties of the material. The charge distributions is given by
 200     // n = exp(-r^2/4Dt)/(4piDt)^1.5. From this <r^2> = 6Dt where D=mkT/e
 201     // (m==mobility, k==Boltzman's constant, T==temparature, e==electric
 202     // charge. and vel=m*v/d. consiquently sigma^2=6kTdl/ev.
 203     // Inputs:
 204     //    Double_t l   Distance the charge has to travel.
 205     // Output:
 206     //    none.
 207     // Return:
 208     //    The Sigma due to the diffution of electrons. [cm]
 209     const Double_t kcon = 5.17040258E-04; // == 6k/e [J/col or volts]
 210
 211     return TMath::Sqrt(kcon*fT*fdv*l);  // [cm]
 212 }
 213 //______________________________________________________________________
 214 Double_t AliITSresponse::SigmaDiffusion2D(Double_t l) const {
 215     // Returns the Gaussian sigma^2 == <x^2+z^2> [cm^2] due to the defusion
 216     // of electrons or holes through a distance l [cm] caused by an applied
 217     // voltage v [volt] through a distance d [cm] in any material at a
 218     // temperature T [degree K]. The sigma diffusion when expressed in terms
 219     // of the distance over which the diffusion occures, l=time/speed, is
 220     // independent of the mobility and therefore the properties of the
 221     // material. The charge distributions is given by
 222     // n = exp(-r^2/4Dt)/(4piDt)^1.5. From this <x^2+z^2> = 4Dt where D=mkT/e
 223     // (m==mobility, k==Boltzman's constant, T==temparature, e==electric
 224     // charge. and vel=m*v/d. consiquently sigma^2=4kTdl/ev.
 225     // Inputs:
 226     //    Double_t l   Distance the charge has to travel.
 227     // Output:
 228     //    none.
 229     // Return:
 230     //    The Sigma due to the diffution of electrons. [cm]
 231     const Double_t kcon = 3.446935053E-04; // == 4k/e [J/col or volts]
 232
 233     return TMath::Sqrt(kcon*fT*fdv*l);  // [cm]
 234 }
 235 //______________________________________________________________________
 236 Double_t AliITSresponse::SigmaDiffusion1D(Double_t l) const {
 237     // Returns the Gaussian sigma^2 == <x^2> [cm^2] due to the defusion
 238     // of electrons or holes through a distance l [cm] caused by an applied
 239     // voltage v [volt] through a distance d [cm] in any material at a
 240     // temperature T [degree K]. The sigma diffusion when expressed in terms
 241     // of the distance over which the diffusion occures, l=time/speed, is
 242     // independent of the mobility and therefore the properties of the
 243     // material. The charge distributions is given by
 244     // n = exp(-r^2/4Dt)/(4piDt)^1.5. From this <r^2> = 2Dt where D=mkT/e
 245     // (m==mobility, k==Boltzman's constant, T==temparature, e==electric
 246     // charge. and vel=m*v/d. consiquently sigma^2=2kTdl/ev.
 247     // Inputs:
 248     //    Double_t l   Distance the charge has to travel.
 249     // Output:
 250     //    none.
 251     // Return:
 252     //    The Sigma due to the diffution of electrons. [cm]
 253     const Double_t kcon = 1.723467527E-04; // == 2k/e [J/col or volts]
 254
 255     return TMath::Sqrt(kcon*fT*fdv*l);  // [cm]
 256 }
 257 //----------------------------------------------------------------------
 258 Double_t AliITSresponse::DepletedRegionThicknessA(Double_t dopCons,
 259                                                  Double_t voltage,
 260                                                  Double_t elecCharge,
 261                                                  Double_t voltBuiltIn)const{
 262     // Computes the thickness of the depleted region in Si due to the
 263     // application of an external bias voltage. From the Particle Data
 264     // Book, 28.8 Silicon semiconductor detectors equation 28.19 (2004)
 265     // Physics Letters B "Review of Particle Physics" Volume 592, Issue 1-4
 266     // July 15 2004, ISSN 0370-2693 page 263. First equation.
 267     // Inputs:
 268     //    Double_t dopCons           "N" doping concentration
 269     //    Double_t voltage           "V" external bias voltage
 270     //    Double_t elecCharge        "e" electronic charge
 271     //    Double_t voltBuiltIn=0.5   "V_bi" "built-in" Voltage (~0.5V for
 272     //                               resistivities typically used in detectors)
 273     // Output:
 274     //    none.
 275     // Return:
 276     //    The thickness of the depleted region
 277
 278     return TMath::Sqrt(2.0*(voltage+voltBuiltIn)/(dopCons*elecCharge));
 279 }
 280 //----------------------------------------------------------------------
 281 Double_t AliITSresponse::DepletedRegionThicknessB(Double_t resist,
 282                                                  Double_t voltage,
 283                                                  Double_t mobility,
 284                                                  Double_t voltBuiltIn,
 285                                                  Double_t dielConst)const{
 286     // Computes the thickness of the depleted region in Si due to the
 287     // application of an external bias voltage. From the Particle Data
 288     // Book, 28.8 Silicon semiconductor detectors equation 28.19 (2004)
 289     // Physics Letters B "Review of Particle Physics" Volume 592, Issue 1-4
 290     // July 15 2004, ISSN 0370-2693 page 263. Second Equation.
 291     // Inputs:
 292     //    Double_t resist            "rho" resistivity (typically 1-10 kOhm cm)
 293     //    Double_t voltage           "V" external bias voltage
 294     //    Double_t mobility          "mu" charge carrier mobility
 295     //                                  (electons 1350, holes 450 cm^2/V/s)
 296     //    Double_t voltBuiltIn=0.5   "V_bi" "built-in" Voltage (~0.5V for
 297     //                               resistivities typically used in detectors)
 298     //    Double_t dielConst=1.E-12  "epsilon" dielectric constant = 11.9 *
 299     //                                (permittivity of free space) or ~ 1 pF/cm
 300     // Output:
 301     //    none.
 302     // Return:
 303     //    The thickness of the depleted region
 304
 305     return TMath::Sqrt(2.8*resist*mobility*dielConst*(voltage+voltBuiltIn));
 306 }
 307 //----------------------------------------------------------------------
 308 Double_t AliITSresponse::ReverseBiasCurrent(Double_t temp,
 309                                             Double_t revBiasCurT1,
 310                                             Double_t tempT1,
 311                                             Double_t energy)const{
 312     // Computes the temperature dependance of the reverse bias current
 313     // of Si detectors. From the Particle Data
 314     // Book, 28.8 Silicon semiconductor detectors equation 28.21 (2004)
 315     // Physics Letters B "Review of Particle Physics" Volume 592, Issue 1-4
 316     // July 15 2004, ISSN 0370-2693 page 263.
 317     // Inputs:
 318     //    Double_t temp         The temperature at which the current is wanted
 319     //    Double_t revBiasCurT1 The reference bias current at temp T1
 320     //    Double_t tempT1       The temperature correstponding to revBiasCurT1
 321     //    Double_t energy=1.2   Some energy [eV]
 322     // Output:
 323     //    none.
 324     // Return:
 325     //    The reverse bias current at the tempeature temp.
 326     const Double_t kBoltz = 8.617343E-5; //[eV/K]
 327
 328     return revBiasCurT1*(temp*temp/(tempT1*tempT1))*
 329         TMath::Exp(-0.5*energy*(tempT1-temp)/(kBoltz*tempT1*temp));
 330 }
 331 //----------------------------------------------------------------------
 332 void AliITSresponse::Print(ostream *os) const {
 333   // Standard output format for this class.
 334   // Inputs:
 335     *os << fdv << " " << fN << " " << fT << " ";
 336     *os << fGeVcharge;
 337   //    printf("%-10.6e  %-10.6e %-10.6e %-10.6e \n",fdv,fN,fT,fGeVcharge);
 338     return;
 339 }
 340 //----------------------------------------------------------------------
 341 void AliITSresponse::Read(istream *is) {
 342   // Standard input format for this class.
 343   // Inputs:
 344   //    ostream *is  Pointer to the output stream
 345   // Outputs:
 346   //    none:
 347   // Return:
 348   //    none.
 349
 350     *is >> fdv >> fN >> fT >> fGeVcharge;
 351     return;
 352 }
 353 //----------------------------------------------------------------------
 354
 355 ostream &operator<<(ostream &os,AliITSresponse &p){
 356   // Standard output streaming function.
 357   // Inputs:
 358   //    ostream *os  Pointer to the output stream
 359   // Outputs:
 360   //    none:
 361   // Return:
 362   //    none.
 363
 364     p.Print(&os);
 365     return os;
 366 }
 367
 368 //----------------------------------------------------------------------
 369 istream &operator>>(istream &is,AliITSresponse &r){
 370   // Standard input streaming function.
 371   // Inputs:
 372   //    ostream *os  Pointer to the output stream
 373   // Outputs:
 374   //    none:
 375   // Return:
 376   //    none.
 377
 378     r.Read(&is);
 379     return is;
 380 }
 381 //----------------------------------------------------------------------