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Elettronica di front-end per rivelatori di radiazione Attività di ricerca e proposte per lo svolgimento della tesi di laurea specialistica presso il Laboratorio.

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Presentazione sul tema: "Elettronica di front-end per rivelatori di radiazione Attività di ricerca e proposte per lo svolgimento della tesi di laurea specialistica presso il Laboratorio."— Transcript della presentazione:

1 Elettronica di front-end per rivelatori di radiazione Attività di ricerca e proposte per lo svolgimento della tesi di laurea specialistica presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica

2 2 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Gruppo di ricerca Prof. Valeria Speziali, capo del gruppo di Strumentazione Elettronica Stretta collaborazione con gruppo del prof. Valerio Re dellUniversità di Bergamo (Massimo Manghisoni, Gianluca Traversi) Lodovico Ratti, responsabile del Laboratorio di Strumentazione Elettronica Tre dottorandi attualmente impegnati in attività di ricerca presso il nostro gruppo Durata media dellattività di tesi: 6 mesi

3 3 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Collaborazioni con enti nazionali ed internazionali Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, USA European Center for Nuclear Research (CERN), Geneva, Switzerland Stanford Linear Accelerator Center, Stanford, USA Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, USA Brookheaven National Laboratory, Upton, USA STMicroelectronics

4 4 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Linee di ricerca Lattività del gruppo di Strumentazione Elettronica è incentrata sullo sviluppo di elettronica di lettura a basso rumore per rivelatori di radiazione, con impiego prevalente nella fisica delle alte energie (HEP) Le ricadute di questa attività interessano molteplici settori: strumentazione per radioterapia e radiodiagnostica in medicina astronomia (spaziale e terrestre) in varie regioni dello spettro radiografia industriale homeland security elettronica per satelliti in orbita terrestre e per lesplorazione dello spazio analisi delle opere darte

5 5 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Caratterizzazione di dispositivi e circuiti realizzati con tecnologie innovative Studio degli effetti delle radiazioni su dispositivi e circuiti Caratterizzazione di tecnologie CMOS submicrometriche (L min =130 nm, 90 nm, 65 nm) Test di dispositivi appartenenti a processi produttivi CMOS su strato isolante (silicon on insulator, SOI, L min =180 nm) Sviluppo di strumentazione per misure di rumore di elevata precisione su un esteso intervallo di frequenze Progetto di elettronica di lettura in tecnologia integrata per rivelatori di radiazione ad elevata risoluzione spaziale Sviluppo di sensori monolitici a pixel attivi (MAPS) in tecnologia CMOS deep submicron per applicazioni a minimo ingombro e bassa dissipazione di potenza Linee di ricerca (contd)

6 6 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Rivelatori di particelle o di radiazione Nella fisica delle alte energie, un rivelatore di radiazione serve a ricostruire il percorso e/o identificare la natura delle particelle prodotte da decadimento nucleare, dalla radiazione cosmica o in un acceleratore di particelle Diversi rivelatori di radiazione sono assemblati in apparati di una certa complessità (anchessi chiamati rivelatori in senso lato), alla cui costruzione contribuisce generalmente una molteplicità di gruppi

7 7 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Esempio: rivelatore per lesperimento CMS (LHC)

8 8 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Canali di lettura per rivelatori di radiazione Q in CDCD CfCf GfGf - Formatore Preamplificatore Rivelatore Blocchi di conversione A/D ed eleaborazione digitale Sezione analogica La misura dellenergia rilasciata da una particella in un rivelatore di radiazione implica la misura della carica rilasciata da una sorgente di tipo capacitivo con la massima accuratezza compatibile con il rumore del sistema di amplificazione Il tipo di tecnologia utilizzato per la realizzazione dellelettronica dipende dal tipo di rivelatore

9 9 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Sensori monolitici a pixel attivi (MAPS) CMOS Sviluppati come rivelatori di immagine nella regione dello spettro visibile (videocamere CMOS) Integrano sul medesimo substrato rivelatore ed elettronica di lettura ( sensori monolitici) Sono caratterizzati da una regione sensibile molto sottile (~10 μm) Se assottigliati, possono essere utilizzati come rivelatori a basso ingombro ( ridotta interazione con le particelle, elevata risoluzione nella ricostruzione delle traiettorie)

10 10 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica MAPS in deep N-well (DNW) per esperimenti di HEP NMOS La deep N-well è usata come elettrodo di raccolta Un canale di lettura più complesso del semplice schema a 3 NMOS (3T) può essere utilizzato per lelaborazione del segnale NMOS della sezione analogica realizzati allinterno della deep N-well La realizzazione di un elettrodo di raccolta di grandi dimensioni consente di utilizzare anche dispositivi PMOS nel disegno dellelettronica di front-end migliori prestazioni e più elevata densità di funzioni integrata vicino al sensore P-epitaxial layer Standard N-well P-substrate Buried N-type layer Deep N-well NMOS (analog) PMOS (analog) PMOS (digital) P-well

11 11 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica PMOS NMOSP-well Preamplificatore ad elevata sensibilità di carica Formatore RC-CR con tempi di picco programmabili (0.5, 1 e 2 μs) Comparatore seguito da latch Due strutture di test già realizzate in tecnologia CMOS deep submicron con L min =130 nm (STMicroelectronics) PreamplifierShaperDiscriminatorLatch Gm A(s) b0 b1 + CFCF C1C1 C2C2 VtVt RST VFVF ~43 m Il test sui primi due prototipi ha già consentito di verificare la capacità del sensore di raccogliere la carica rilasciata nel substrato e la capacità dellelettronica di effettuare una elaborazione del segnale a basso rumore Prototipi di MAPS DNW già disponibili (Apsel)

12 12 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Circuiti in fase di produzione (serie Apsel) Circuiti di test in tecnologia CMOS con lunghezza minima di canale pari a 130 nm Circuiti di test in tecnologia CMOS con lunghezza minima di canale pari a 90 nm

13 13 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Circuiti in fase di produzione (serie SDR) 25 m Circuito a segnali misti, analogici e digitali, in tecnologia CMOS con L min =130 nm Time stamp register Preamplifier Discriminator DNW sensor Sparsification logic Token passing core Hit-latch Bus control FF Nand gate

14 14 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica X=1X=16 Y=1 Y=2 Y=16 X=2 Time Stamp Buffer 1 Time Stamp Buffer 2 Time Stamp Buffer 16 Cell (1,1) Cell (1,2) Cell (1,16) Cell (2,1) Cell (2,2) Cell (2,16) Cell (16,1) Cell (16,2) Cell (16,16) MUX Last token out First token in X Y T TkinTkout 111 Tkin TkoutTkinTkout TkinTkoutTkin TkoutTkinTkoutTkinTkoutTkin TS Serial data output gXb gYb TS Readout CK gXb gYb gXb gYb gXb gYb gXb gYb gXb gYb gXb gYb gXb gYb gXb gYb Cell CK gXb=get_X_bus gYb=get_Y_bus TS=Time_Stamp Tkin=token_in Tkout=Token_out Schema di readout digitale (SDR0)

15 15 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Possibili argomenti di tesi su MAPS CMOS Caratterizzazione di pixel monolitici attivi in tecnologia CMOS da 130 nm (serie Apsel e SDR) Caratterizzazione di pixel monolitici attivi in tecnologia CMOS da 90 nm (serie Apsel) Allestimento di setup per la caratterizzazione di rivelatori con laser infrarosso Simulazione a livello fisico di sensori MAPS con software ISE-TCAD e/o con lapplicazione di algoritmi Monte Carlo per lottimizzazione geometrica del sensore (in 2D e 3D) Progetto di pixel monolitici in tecnologia CMOS deep submicron (130 nm, 90 nm)

16 16 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Caratterizzazione di dispositivi e circuiti realizzati con tecnologie innovative Interesse legato alle particolari prestazioni di rumore e resistenza alle radiazioni richieste allelettronica di front-end per rivelatori di particelle Nel caso delle tecnologie CMOS, dato il rapido avvicendarsi delle generazioni di processi produttivi e laltrettanto rapida obsolescenza delle vecchie generazioni, è opportuno tenere sotto controllo levoluzione dei parametri di maggior interesse Nonostante linteresse sia rivolto principalmente al campo dei circuiti di lettura per rivelatori di radiazione, i risultati di questa attività hanno validità ed utilità più generale e trovano applicazione in diversi campi dellelettronica

17 17 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Tecnologie bulk CMOS deep submicron Transistori singoli in tecnologia CMOS HCMOS9 (L min =130 nm) e CMOS090 (L min =90 nm) prodotti da STMicroelectronics sono attualmente in fase di caratterizzazione Caratteristiche della tecnologia –V DD = 1.2 V –t OX = 2 nm –C OX =15 fF/μm 2 Geometrie disponibili –W = 200, 600, 1000 μm –L = μm HCMOS9CMOS090 La tecnologia CMOS065 (L min =65 nm) è già accessibile attraverso multiproject wafer per la realizzazione di prototipi Caratteristiche della tecnologia –V DD = 1 V –t OX = 1.6 nm –C OX =18 fF/μm 2 Geometrie disponibili –W = 100, 200, 600, 1000 μm –L = 0.1 – 0.7 μm Un aspetto interessante è costituito dallanalisi teorica e sperimentale della corrente di gate, non più trascurabile quando lossido di gate è così sottile

18 18 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Esempi di misura di corrente di gate La corrente di gate varia con lo spessore dellossido di gate la corrente di gate è circa 3 ordini di grandezza maggiore nella tecnologia CMOS da 90 nm rispetto aa quella da 130 nm

19 19 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Tecnologie CMOS silicon on insulator (SOI) Inverter in bulk CMOS Inverter in CMOS SOI Le tecnologie CMOS SOI offrono alcuni vantaggi rispetto alle tecnologie CMOS bulk Riduzione delle capacità parassite verso il substrato Maggiore velocità operativa Riduzione della potenza dissipata Più elevata densità di integrazione Maggiore resistenza a certi tipi di danno da radiazione (Single Event Upset, SEU) Tecnologia CMOS SOI con L min =180 nm prodotta dai Lincoln Labs del MIT (MITLL 0.18 μm)

20 20 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Tecnologie CMOS SOI per sensori 3D La tecnologia MITLL 0.18 μm viene utilizzata nella realizzazione di sensori monolitici 3D In genere un chip 3D include 2 o più strati di dispositivi a semiconduttore opportunamente assottigliati, uniti a formare un dispositivo monolitico (tramite tecniche di wafer bonding) e interconnessi tra loro mediante via metallici

21 21 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Strumentazione per misure di rumore Circuito di polarizzazione di gate e drain Amplificatore a transimpedenza a basso rumore Stadio di guadagno S D.U.T. Circuito di polarizzazione del bulk/well Analizzatore di spettro RFRF Larga banda (>100 MHz) Rumore elettronico estremamente basso La misura del rumore elettronico nei dispositivi CMOS richiede la realizzazione di circuiti di interfaccia (tra dispositivo ed analizzatore di spettro)

22 22 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Esempi di misure di densità spettrale di rumore La banda del circuito di interfaccia deve essere tale da consentire di distinguere il contributo bianco (indipendente dalla frequenza) dal contributo di tipo 1/f

23 23 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Lo studio del danno da radiazione riveste un duplice interesse Determinazione dei limiti di tolleranza alle radiazioni dei circuiti elettronici Studio di meccanismi fisici fondamentali attraverso lanalisi del danno da radiazione in dispositivi elettronici La radiazione (raggi γ ed X, particelle cariche, ioni) può determinare guasti più o meno gravi nei circuiti elettronici In circuiti digitali può produrre guasti temporanei o permanenti Nei circuiti analogici, laumento del rumore elettronico può causare una riduzione della sensibilità, fino a rendere il sistema inutilizzabile Studio della resistenza alle radiazioni in dispositivi e circuiti elettronici

24 24 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Resistenza alle radiazioni in dispositivi CMOS Nei dispositivi CMOS leffetto principale della radiazione ionizzante consiste nella generazione di carica allinterno dellossido di silicio (ossido di gate, ossido di campo, shallow trench isolation) e/o allinterfaccia Si/SiO 2 Lesposizione a radiazione ionizzante può dunque comportare variazione della tensione di soglia, aumento delle correnti di leakage ed aumento del rumore elettronico Può essere interessante verificare che la tolleranza alle radiazioni è maggiore nelle generazioni CMOS più recenti a causa della riduzione dello spessore dellossido di gate G DS G D STI S

25 25 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Possibili argomenti di tesi relativi a caratterizzazione di tecnologie CMOS bulk e CMOS SOI Studio teorico e sperimentale delle caratteristiche di rumore in dispositivi CMOS con lunghezza minima di canale pari a 90 e 65 nm Realizzazione di strutture di test in tecnologia CMOS da 90 e 65 nm per lo studio delle proprietà di rumore e delle tecniche di hardening by design (i.e. enclosed layout transistors, ELT) Caratterizzazione sotto il profilo del rumore e della resistenza alle radiazioni di dispositivi CMOS SOI con lunghezza minima di canale da 180 nm Studio della resistenza alle radiazioni di dispositivi CMOS con lunghezza minima di canale pari a 90 nm e 65 nm Sviluppo di circuiti di interfaccia a larga banda per misure di rumore su dispositivi elettronici Analisi teorica e sperimentale della corrente di gate e del rumore nella medesima corrente in tecnologie con lunghezza minima di canale pari a 130, 90 e 65 nm

26 26 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica progetto di circuiti analogici a basso rumore elettronico uso degli strumenti software più diffusi per la simulazione ed il progetto di circuiti elettronici caratteristiche delle tecnologie CMOS bulk di più recente introduzione e di altre tecnologie innovative (e.g. CMOS SOI) comportamento dei dispositivi elettronici, anche a livello fisico, approfondito a livello sia teorico, sia sperimentale uso di strumentazione di laboratorio avanzata Quali opportunità offre una tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Lattività di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica può coprire gli aspetti teorici e/o sperimentali degli argomenti proposti Offre allo studente, a seconda dellargomento affrontato, la possibilità di acquisire competenze relativamente a

27 BACKUP SLIDES

28 28 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Front-end analogico della cella (SDR0) PreamplifierDiscriminator 22T 14T iFiF CFCF VtVt Preamplifier response to an 800 e - pulse Smaller area than in the Apsel prototypes smaller detector capacitance ENC=25 e - D =100 fF Power consumption: about 5 μW Threshold dispersion: about 30 e - rms Features power-down capabilities for power saving

29 29 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica Sezione digitale della cella (SDR0) OE OEb t1t2t3t4t5 t5int4int3int2int1in CPb CP D Q Qb WE hit hitb tokin tokrst tokout getb_enQ Qb Lat_en R S token passing core Get X bus From the time stamp counter To the time stamp buffer Cell CK Get Y bus Master Reset time stamp register 4T 10T 13T 20T 76T From the discriminator Cell CK hit latch bus control FF Includes a 5 bit time stamp register and the data sparsification logic During the bunch train period, the hit latch is set in each pixel that is hit When the pixel is hit, the content of the time stamp register gets frozen

30 30 Proposte di tesi presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica X=1X=16 Y=1 Y=2 Y=16 X=2 Time Stamp Buffer 1 Time Stamp Buffer 2 Time Stamp Buffer 16 Cell (1,1) Cell (1,2) Cell (1,16) Cell (2,1) Cell (2,2) Cell (2,16) Cell (16,1) Cell (16,2) Cell (16,16) MUX Last token out First token in X Y T TkinTkout 111 Tkin TkoutTkinTkout TkinTkoutTkin TkoutTkinTkoutTkinTkoutTkin TS Serial data output gXb gYb TS Readout CK gXb gYb gXb gYb gXb gYb gXb gYb gXb gYb gXb gYb gXb gYb gXb gYb Cell CK gXb=get_X_bus gYb=get_Y_bus TS=Time_Stamp Tkin=token_in Tkout=Token_out Schema di readout digitale (SDR)


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