[en] ABSTRACT: The Large Hadron Collider (LHC) will undergo important upgrades in the coming years in order to increase its research capabilities. This will translate into a huge increase of the in stantaneous luminosity and thus the radiation levels that the pixelated silicon sensors that form the inner layers of the experiments will have to cope with. An intensive R&D cam paign of radiation-tolerant silicon sensors are currently underway in the main experiments of the LHC. The relatively new columnar pixel technology, known as 3D pixel detectors, is being considered because of their properties that make them inherently radiation resistant. Part of the development and characterization of this technology involves understanding its electrostatic properties in order to predict its response under the passage of ionizing par ticles. A common approach to accomplish this is performing electrostatic simulations to predict its transient response. Due to the complicated geometry and the relatively new use of this technology, there are almost no simulations available in the literature, therefore this work fills the gap on simulations of 3D pixel technology and its response as particle detector. The pixel response has been simulated for the 3D pixel cell configuration lay outs being discussed at the Compact Muon Solenoid experiment, using the Ramo-Shockley theorem. The theorem allows to simulate the transient signals produced in the electronics by an ionizing particle through the electric and weighting fields of the sensor. A novel approach in both the calculations of both fields, based on a relaxational method for the weighting field, and on the use of an equivalent charge distribution instead of solving the Poisson equation for the electric field, allow to simplify the algorithms and therefore the computation times, providing good qualitative and quantitative results. Finally, the sim ulation is used for the first time to simulate and understand the transient signals of this 3D pixels under the influence of magnetic fields, such as those in the LHC experiment.

[es] RESUMEN: El Gran Colisionador de Hadrones (LHC por sus siglas en inglés) experimentará en los próximos años importantes mejoras que aumentarán su capacidad de investigación. Esto se verá traducido en un enorme aumento de la luminosidad instantánea y, por tanto, un incremento sin parangón de los niveles de radiación que tendrán que soportar los detectores tipo pixel de silicio, los cuales se encuentran en las capas más profundas de los experimentos. Actualmente existe una campaña intensiva de I+D para obtener sensores de silicio resistentes a la radiación, que está siendo llevada a cabo por los principales experimentos del LHC. La relativamente nueva tecnología de pixeles columnares, conocida como detectores de pixeles 3D está demostrando ser inherentemente resistente a la radiación. La caracterización de este tipo de detectores comienza con la comprensión de sus propiedades electroestáticas, necesaria para predecir su respuesta al paso de partículas ionizantes. El primer enfoque común que se suele realizar es generar simulaciones electroestáticas y así obtener las respuestas transitorias. Debido a que estos detectores están actualmente siendo estudiados y también a la complejidad de su geometría, casi no existen simulaciones disponibles en la literatura. Este trabajo ampliará el conocimiento existente en cuestión de simulaciones de tecnología de píxeles 3D y su respuesta como detector de partículas. Se ha simulado la respuesta que se obtendría de dos tipos de diseño de pixel 3D que actualmente están bajo discusión en el experimento CMS. Las simulaciones se han realizado utilizando el teorema de Ramo-Shockley, theorema que permite simular señales transitorias inducidas en la electrónica cuando una partícula ionizante atraviesa el sensor. La simulación requiere por tanto del cálculo de los campos de pesado y campo eléctrico electrostático, los cuales se han obtenido desde un enfoque novedoso. Mientras que el campo de pesado se ha obtenido a través de un proceso iterativo utilizando un método de relajación; el cálculo del campo eléctrico se ha resuelto a través de una aproximación de distribuciones de carga puntuales. Este método alternativo de resolver la ecuación de Poisson permiten simplificar los algo ritmos y por tanto los tiempos de cálculo, proporcionando buenos resultados cualitativos y cuantitativos. Por último, la simulación se utiliza por primera vez para simular y comprender las señales transitorias de estos píxeles 3D bajo la influencia de campos magnéticos, como los que tendrán que soportar en los experimentos del LHC.