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1. Integrazione M1 M3 OFF il fotodiodo resta flottante e inizia a scaricarsi proporzionalmente all intensit incidente Si noti che durante questa fase il pixel non consuma potenza Lettura M1 OFF M3 ON il pixel collegato al proprio bus di colonna con l attivazione del SF il valore del pixel disponibile per la lettura Il pixel attivo permette una lettura veloce frequenza di lettura del singolo pixel dell ordine dei 10MHz e una minore dipendenza delle prestazioni rispetto le dimensioni della matrice consentendo l uso di matrici di grandi dimensioni gt 1Mpixel La matrice APS e l elettronica di lettura Il sensore CMOS prevede oltre all array di pixel che una certa area del chip venga dedicata all elettronica di lettura e di controllo In particolare necessario Implementare i seguenti elementi Una logica di controllo che si preoccupi di controllare la matrice e le altre strutture presenti sul chip Un elettronica analogica di processing dei segnali provenienti dai pixel Introduzione 15 Eventualmente un elettronica di conversione analogico digitale per disporre in uscita del chip dei dati gi convertiti La logica di controllo necessaria per generare i segnali di reset della matrice per selezionare le righe e all interno di ogni riga per selezionare il singolo pixel Inoltre pu essere utile per far funzionare i dispositivi di amplificazione lettura quando questi richiedono una sequ
2. Strutture di test del chip RAPS03 Il chip prevede inoltre una serie di strutture secondarie per testare e confrontare alcune opzioni tecnologiche alternative In particolare sono presenti all interno del chip tre matrici pi piccole di 32x32 pixel dotate di una propria logica di lettura con le stesse caratteristiche delle matrici principali configurabilit dei tempi di reset ed integrazione lettura event triggered Le matrici si differenziano per 1 tipi di pixel che le costituiscono Matrice pixel small matrice composta di pixel simili allo small della 256x256 Matrice pixel GIPO matrice dotata di guard ring simile alla matrice presente sul RAPS 02 ma dal pitch leggermente maggiore 4 4um Matrice pixel GIPOL pixel identici alla G1PO ma spaziati fra di loro per poter effettuare maggiori controlli sulla dispersione della carica fra i pixel Il pitch di circa 12um Il Chip RAPS 03 107 Le matrici gi presenti nel RAPS 02 sono di dimensioni maggiori in quanto stato osservato che sotto una certa dimensione lo spreading di carica inter pixel rende inutile aumentare la risoluzione spaziale La terza matrice di pixel small stata inserita per confrontare i dati delle matrici pi grandi con i dati provenienti da una matrice di dimensioni minori in modo da poter effettuare confronti sull impatto del numero di pixel sulle prestazioni del sensore Un aumento delle dimensioni della matrice infatti aumentando le capacit di
3. 300 250 250 200 200 Pixels Pixels 150 150 100 100 f 1 o 1 1 05 1 1 1 15 1 2 1 25 0 95 1 1 05 RIO Ta 1 25 1 1 Value vV Value V Figura 80 Distribuzione dei valori dei pixel del piedistallo per la matrice a pixel small e Large Come si pu vedere il rumore risulta pi alto rispetto a quanto stimato per il RAPS 02 che aveva contributi dell ordine di 1 1 5mV ma bisogna tener conto di alcuni fattori Il source follower dovendo gestire frequenza pi alte ha una banda maggiore minore filtraggio del rumore termico La matrice e l elettronica sono comunque pi rumorose a causa delle maggiori dimensioni e maggiore frequenza Il tempo stesso d integrazione nonostante l elevata frequenza maggiore rispetto quello del RAPS 02 che pari a 9 6ms per cui logico aspettarsi un aumento del contributo di shot noise Sono stati osservati dei piccoli contributi di cross talk Questo potrebbe spiegare anche il motivo per cui il pixel Large mostra un valore di rumore istantaneo maggiore rispetto allo small mentre sarebbe logico apettarsi il contrario essendo il rumore KTC in tensione inversamente proporzionale alla capacit del fotodiodo La presenza di crosstalk porterebbe il kTC ad essere meno importante rispetto altri contributi Il maggiore FPN del Large potrebbe esser dovuto alla forma irregolare del fotodiodo che lo porta ad aver maggior variazione de
4. UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PARMA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELL INFORMAZIONE Dottorato di Ricerca in Tecnologie dell Informazione XX Ciclo Paolo Delfanti PROGETTO E COLLAUDO DI UN SENSORE DI RADIAZIONE A STATO SOLIDO Dissertazione presentata per il conseguimento del titolo di Dottore di Ricerca Gennaio 2008 Alla mia famiglia CAPITOLO 1 INTRODUZIONE Sensori di radiazione Nell ambito della rivelazione di radiazioni per usi commerciali medicali o destinati agli esperimenti di fisica delle alte energie esistono differenti tipologie di approccio Un sensore di radiazione fondamentalmente un tipo di sensore in grado di registrare il passaggio di un fotone o di un flusso di fotoni e per esteso di particelle che si comportino come fotoni e fornire all utente una serie di informazioni su questo evento come la collocazione spaziale l energia della radiazione o la sua intensit Un simile sistema si presta agli usi pi svariati quali per esempio Vertex detector Imaging Spettroscopia Solitamente lo spazio degli stati in uscita e quadridimensionale le quattro coordinate sono composte da due coordinate spaziali una temporale e dall informazione associata ad ogni coordinata e la cui natura fisica pu variare da caso a caso pu essere un informazione di intensit di lunghezza d onda della radiazione incidente o anche solo un informazione binaria di tipo luce buio Inoltre il segnale pu
5. 128x256 circa 1 2x2 5mm di dimensioni Sviluppi futuri Grazie alle caratteristiche di configurabilit flessibilit ed elevata risoluzione e frequenza del sensore sono allo studio applicazioni dei chip RAPS 02 e RAPS 03 anche in ambiti diversi dalla fisica delle alte energie Conclusioni e Sviluppi Futuri 149 Una possibile applicazione per esperimenti di fisica l impiego del sensore per la spettrografia X di diffrazione Se un fascio X di cui si vuole sapere lo spettro viene fatto incidere su un reticolo cristallino questo subira diffrazione di De Bragg cosicch le componenti a diversa lunghezza d onda saranno deviate di angoli differenti Mediante l impiego di un imager sarebbe dunque possibile vedere una serie di righe la cui posizione spaziale corrisponderebbe ad una frequenza presente nel fascio Si potr impiegare il RAPS per effettuare misure in questo senso osservando se l impiego di un sensore nudo meno fotoni rilevati ma maggiore precisione spaziale possa fornire risultati migliori rispetto un sensore dotato di strato scintillatore migliore rivelazione di fotoni ma peggior risoluzione in un ambito in cui la risoluzione risulta pi importante della minimizzazione della dose di raggi X impiegata Anche la buona risoluzione del pixel 10x10um assieme all elevata frequenza e alla possibilit di selezionare tempo d integrazione pu essere sfruttata addirittura per applicazioni nel visibile come ambiti a
6. I restanti 5 bit sono impiegati dal comando di load dei registri per selezionare un valore di periodo di integrazione da caricare il reset invece resta fisso In particolare il periodo di integrazione per abbracciare il maggior range di valori dato da 2 elevato il valore a 5 bit dato il che permette di caricare i registri con qualsiasi valore da 1 256 cicli di clock per l integrazione a 4096 2M cicli di clock Una volta ricevuto il segnale di start l FPGA fornisce a sua volta il segnale di start adeguato al RAPS quindi si mette in attesa dei segnali di feedback del chip Una volta ricevuto il segnale di sync FPGA inizia quindi ad acquisire i valori provenienti dagli ADC flash 12 bit per ogni pixel ad ogni ciclo di clock e ad immagazzinarli nella RAM interna fino a che legge contemporaneamente alti i segnali di end_row e end_column cio sta leggendo l ultimo pixel del frame Una volta acquisito e salvato nella RAM un frame intero cio 16384 valori questa viene scandita serialmente e i dati relativi ad ogni pixel vengono suddivisi in due word da 8 bit che vengono quindi inviate al PC via seriale Durante questo trasferimento il RAPS continua per a funzionare e tutte le nuove scansioni non sono acquisite fino a quando non viene terminato l invio del frame Di conseguenza la seriale forma un collo di bottiglia nel trasferimento dei dati permettendo di acquisire solo una frazione dei frame generati Infatti l invio di 16
7. Lo svantaggio di questo ultimo approccio sta nel fatto che spesso la radiazione X ha uno spessore di penetrazione maggiore dello spessore dello strato scintillatore per cui pu accadere che colpisca il substrato del sensore rilasciando carica Questo fenomeno oltre ad essere pericoloso in quanto fonte di danno da radiazione riduce anche la linearit del sensore poich la carica da X diretto si somma a quella da visibile generando picchi di segnale indesiderati Un alternativa Introduzione 55 consiste del porre un sottile strato scintillatore di fronte alla radiazione e quindi condurre la luce generata al sensore fisicamente distante mediante fibra ottica anche se questo aumenta la complessita del sistema di acquisizione Inoltre bisogna tenere in considerazione il tempo di risposta dello scintillatore in quanto l emissione del fotone visibile avviene dopo un certo tempo dall arrivo del fotone X Tempi di risposta brevi permettono sensori con una maggiore frequenza di lettura stato anche proposto mediante l impiego di un processo a tripla well di rendere il sensore insensibile alla carica generata nel bulk dovuta ai raggi X isolando n well dal p epi con una p well profonda 15 In questo modo il fotodiodo pu raccogliere solo la carica generata a livello superficiale da radiazione a basso spessore di penetrazione cio la luce blu aumentando il SNR del sistema scintillatore sensore Un secondo vantaggio di questo appro
8. causando l accensione dell altro che a sua volta aumenta la corrente nel gate del primo I due transistor sostenendosi a vicenda raggiungono cos in fretta lo stato saturato causando di fatto un cortocircuito fra massa ed alimentazione che pu risultare letale per il circuito Quando una particella colpisce il reticolo pu rilasciare una notevole quantit di carica nel sustrato Se incide nella zona svuotata in particolare questa carica si traduce in un forte picco di corrente che agisce da corrente di base di uno dei bipolari parassiti innescando il latch up e di conseguenza distruggendo il dispositivo Introduzione 49 vo VoD A P Q1 fer N WELL D Rs Rss AAA lt P SUBSTRATE GND Vss Rw wy Figura 26 Dispositivi parassiti nel CMOS e schema della struttura di latch up 21 Per evitare questo fenomeno si cerca di abbassare il pi possibile la resistenza parassita in parallelo alla giunzione base emettitore del bipolare parassita in modo che sia necessaria una corrente maggiore per raggiungere la tensione di innesco Un metodo potrebbe essere l impiego di un maggior drogaggio del sustrato ma questo peggiorerebbe l isolamento del MOS rispetto il bulk a causa di una pi stretta zona svuotata Per ovviare a ci Si pu impiegare uno strato epitassiale che permette l uso di un bulk a bassa resistivit che schematizzabile come una resistenza di basso valore in parallelo ad u
9. celle di memoria a intervalli di 100ns dalle quali sono successivamente letti nei periodi di inattivit a frequenze molto pi basse 1MHz In questo modo possibile disaccoppiare la frequenza di acquisizione del pixel dalla frequenza di lettura dell elettronica esterna in modo da incrementare la risoluzione temporale degli esperimenti Il progetto RAPS 75 CAPITOLO 2 IL PROGETTO RAPS Introduzione Il progetto RAPS nasce come collaborazione fra l universit di Parma l universit di Perugia e l INFN di Perugia Scopo del progetto lo studio e la realizzazione di una famiglia di sensori in tecnologia CMOS standard orientati alla rivelazione di radiazioni e particelle minimamente ionizzanti per scopi sia scientifici che medicali La linea guida principale lo sviluppo di sensori con le seguenti caratteristiche ottenibili solo con l impiego della tecnologia CMOS Basso costo Basso consumo Altamente configurabili grazie alla possibilit di implementare elettronica di controllo processing del segnale direttamente sul chip sensibile In grado di eseguire le operazioni richieste senza bisogno di chip di supporto Resistenti al danno da radiazione Sono stati finora realizzati tre sensori nominati progressivamente RAPS 01 RAPS 02 e RAPS 03 con lo scopo di testare sia le soluzioni tecnologiche esistenti che di proporne di nuove Scelta della tecnologia Il RAPS 01 primo chip realizzato ha avuto lo scopo di v
10. d impiego primo processing on chip dei dati e bassi costi Il sensore stato creato con maggiore enfasi sugli aspetti che consentono di superare le limitazione del chip precedente il RAPS 02 In particolare stata introdotta la possibilit di effettuare una lettura del chip solo in seguito ad un evento e non per scansione continua la possibilit di selezionare la durata delle fasi di reset ed integrazione e un elettronica di lettura configurabile con maggiore facilit Il chip prevede inoltre una matrice di dimensioni paragonabili a quelle di un chip operativo 256x256 pixel di 10um di pitch e la possibilit di funzionare a elevate frequenze 10MHz Per aumentare il frame rate la matrice divisa in 4 sottomatrici 128x128 operanti in parallelo Queste matrici differiscono fra di loro in quanto due sperimentano un pixel dotato di fotodiodo di 2x2um pixel small mentre le altre due impiegano un pixel il cui fotodiodo occupa tutta l area libera da elettronica pixel Large Il sensore stato realizzato in una tecnologia CMOS standard la UMC 0 18 e prevede assieme alla matrice principale una serie di sottomatrici e di Conclusioni e Sviluppi Futuri 148 singoli pixel per studiare possibilita alternative enclosed gate 4T pixel a pi fotodiodi Sono state inoltre inserite strutture che aiutino nella caratterizzazione elettrica del sensore permettendo di valutare le risposte della catena di lettura e di caratterizzare
11. e la possibilit di non avere strati di polisilicio sopra al pixel come accade col CCD che si tramuta in un alta Quantum Efficiency rapporto fra i fotoni incidenti e gli elettroni raccolti dal fotodiodo Inoltre poich l amplificatore di carica mantiene costante la tensione di polarizzazione del bus il rumore KTC dovuto al reset resta sotto controllo Per il fotodiodo collegato direttamente ad una lunga metallizzazione e di conseguenza la capacit parassita riduce sia la performance in rumore nell ordine di 250e ms sia la velocit di lettura questo rende fatto il PPS inutilizzabile per matrici di grandi dimensioni in quanto la maggiore velocit richiesta per la lettura di un maggior numero di pixel comporta un ulteriore aumento del rumore osservato Introduzione 12 Ls n COL BUS Figura 2 Schema del pixel PPS 2 Il pixel APS L APS invece rispetto al PPS prevede l impiego di una prima elettronica di processing del segnale all interno del pixel direttamente collegata all elemento sensibile In questo modo possibile aumentare la velocit di lettura e ridurre il rumore a causa del minore impatto dei parassiti Il prezzo da pagare la riduzione del FF dovuta alla presenza sul pixel di aree cieche nelle zone dove l elettronica presente Lo schema standard che stato impiegato sin dai primi modelli prevede l impiego all interno del pixel assieme al fotodiodo di 3 transistor Transistor d
12. essere trattato sia da circuiteria interna all elemento sensibile che esterna per estrapolare ulteriori informazioni o ridurre la mole di dati in uscita ai soli elementi effettivamente interessanti La radiazione da rivelare si estende a gran parte dello spettro elettromagnetico dall infrarosso fino ai raggi gamma oltre alla possibilit di rivelare anche vari tipi di particelle come elettroni neutroni protoni o particelle esotiche prodotte durante gli esperimenti di fisica delle alte energie Fra i differenti approcci alla rivelazione di radiazioni quello che ha conseguito i pi importanti sviluppi negli ultimi anni l impiego di Introduzione 6 rivelatori a stato solido in particolare i rivelatori a semiconduttore Questa famiglia di componenti ha avuto un grande impulso in quanto l industria dei semiconduttori e la comunit scientifica a cui essa attinge stanno espandendo sempre di pi gli ambiti di utilizzo delle tecniche e delle propriet di questi materiali Grazie ad un ottima conoscenza dei processi fisici che avvengono all interno dei semiconduttori e ad una matura tecnologia per la loro lavorazione i sensori che ne fanno uso stanno gradualmente sostituendo gli altri tipi di sensore sensori a stato gassoso pellicole fotografiche anche in ambiti in cui non erano stati considerati all inizio adatti come la rivelazione di raggi X o di MIP Minimum Ionising Particles La Tecnologia CMOS nella rivelazione di
13. i cui guard ring si sovrappongono con un pitch di circa 4um il GIPOL presenta un pitch maggiore in quanto formato da pixel G1PO distanziati di 12um luno dall altro Il progetto RAPS 85 ae Guard Ring Elettronica Fotodiodo Figura 50 4 Pixel G1POL sx e G1P0 dx Si noti che nel G1POL il guard ring non delimita i pixel ma posto attorno al fotodiodo ed elettronica L elettronica di lettura della matrice identica rispetto l elettronica impiegata nel chip RAPS 01 Pixel SHARPS Il pixel SHARPS si configura come un pixel in grado di fornire in uscita solo le coordinate del punto d impatto come il WIPS ma rispetto a questo aggiunge una serie di potenzialit inedite come la lettura event driven e il reset automatico Inoltre come il WIPS contiene al proprio interno dei pMOS che permettono un migliore trattamento del segnale La struttura del pixel prevede un fotiodiodo connesso ad un source follower a sua volta connesso ad un inverter CMOS Il source follower serve per far vedere al fotodiodo una capacit inferiore di circa la met rispetto ad un CMOS direttamente attaccato e per disaccoppiare il punto di lavoro del fotodiodo e dell inverter Alla base dell inverter posto un nMOS che collegato ad un adeguata tensione di polarizzazione permette di Il progetto RAPS 86 modificarne la caratteristica di trasferimento in modo che la tensione d ingresso col pixel non colpito si trovi in corrispondenza del
14. um possibile stimare la quantita di carica raccolta dal sensore e dividendo tale quantit per 80e um ottenere il valore della profondit effettiva Con 25 2mV di segnale stata calcolata una raccolta di carica pari a circa 1000 elettroni da cui consegue una profondit di raccolta effettiva pari a circa 13um Prove laser Infine la caratterizzazione col laser mediante l impiego di diverse lunghezze d onda ha permesso di stimare le prestazioni nella raccolta di carica Sono stati impiegati laser di 3 lunghezze d onda un infrarosso 1060nm di lunghezza d onda visibile 783nm ed ultravioletto 407nm con spot del diametro di 1 2um che permettono di colpire un singolo pixel L impiego di tre diversi laser ha permesso di avere delle stime sulla raccolta di carica a differenti profondit essendo la carica dell infrarosso generata in profondit e quella dell ultravioletto in superficie Questo ha permesso di osservare come lo spreading di carica sia molto maggiore nel primo caso che nel secondo dove il cluster formato unicamente dal pixel colpito Il progetto RAPS 98 UV 1 240 4m VIS 1 7 0 5ym IR 2 9 0 9um a3 Figura 59 risposta del G1P0 a ultravioletto visibile e infrarosso Point Spread Function PSF G1PO Point Spread Func ion PSF G1P1 0 45 i 0 45 04 i 04 0 354 i i 0 354 03 da 0 25 h R Z 0 24 f AN Mi 0 1 Caduta di tensione sul pixel V Cadu
15. 60 7 59 0 19 40 20 o a BSE N 80 10 120 Cluster Signal mV Figura 57 Istogramma dei segnali di cluster misurati per l irraggiamento da B 800 700 600 500 400 300 200 100 Entries Mean RMS PE RT AI PRESTA VAS VAI DPI IT IN SII INTV i E ENT a et chi bs 0 2 4 6 8 10 Number of pixels in a cluster A 3839 4 146 2 145 AN 12 14 Figura 58 Istogramma del numero di pixel facenti parte di un cluster per una PB Ricordando che a differenza della gran parte della letteratura la tecnologia impiegata nel progetto RAPS non prevede l impiego di uno strato Il progetto RAPS 97 epitassiale per cui lo spessore di raccolta di carica non noto a priori stata effettuata quindi una stima dello spessore effettivo di raccolta Infatti presumibile che la carica generata nel sustrato oltre ad una certa profondit sia troppo lontana per venire raccolta in quanto la distanza dall elettrodo risulterebbe maggiore della lunghezza media di cammino Di conseguenza possibile calcolare una profondit effettiva per cui la carica generata da una particella considerata come totalmente raccolta entro questa distanza altrimenti considerata totalmente perduta Sapendo pertanto che una MIP tende a rilasciare 80e um e conoscendo i parametri del sistema di lettura cio il rapporto fra la carica raccolta e il segnale osservato nel caso in esame 36e
16. Chip IEEE Transactions on Electron Devices Vol 44 No 10 October 1997 1689 1698 3 S Heini C Hu Guo M Winter Y Hu A New PhotoFET for Monolithic Active Pixel Sensors Using CMOS Submicronic Technology Electronics Circuits and Systems 2006 ICECS 06 13th IEEE International Conference on 10 13 Dec 2006 1148 1151 4 W Dulinski D Berst A Besson G Claus C Colledani G Deptuch M Deveaux A Gay D Grandjean Y Gornushkin A Himmi C Hu J L Riester I Valin M Winter CMOS Monolithic Active Pixel Sensor for Minimum Ionising Particle Tracking Using Non Epitaxial Silicon Substrate IEEE Transactions on Nuclear Science Volume 51 Issue 4 Part 1 Aug 2004 1613 1617 5 S Kleinfelder S Lim X Liu A El Gamal A 10000 Frames s CMOS Digital Pixel Sensor IEEE Journal OF Solid State Circuits Vol 36 No 12 Dec 2001 2049 2059 6 C Xu W Zhang W H Ki M Chan A 1 0 V VDD CMOS Active Pixel Sensor With Complementary Pixel Architecture and Pulsewidth Modulation Fabricated With a 0 25 um CMOS Process IEEE Journal of Solid State Circuits Vol 37 No 12 Dec 2002 398 400 Bibliografia 152 7 8 9 10 11 12 13 14 15 H Tian B Fowler A El Gamal Analisys of Temporal Noise in CMOS Photodiode Active Pixel Sensor IEEE Journal of Solid State Circuits Vol 36 No 1 Jan 2001 92 101 G Deptuch J D Berst G Claus C Colle
17. Monolithic Active Pixel Sensors for Fast and High Resolution Vertex Detectors Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 560 2006 44 48 A Giraldo A Paccagnella A Minzoni Aspect Ratio Calculation in N Channel MOSFETs with a Gate Enclosed Layout Solid State Electronics 44 2000 981 989 M Bigas E Cabruja J Forest J Salvi Review of CMOS Image Sensors Microelectronics Journal 37 2006 433 451 www xilinx com 30 www wikipedia org www analog com AD9238 Data sheet AD7274 Data sheet Spartan 3 Starter Kit Board User Guide Calzolari Graffi Elementi di elettronica Zanichelli 1984 www opalkelly com Sommario 155 SOMMARIO INTRODUZIONE esaa n aa ea A a E 5 La Tecnologia CMOS nella rivelazione di radiazioni 6 Funzionamento fisico della tecnologia CMOS n 7 pikel PPS Sonhora eiste a asise ass li dei 11 Ti piel AP Sse eee t i ae i a ee eh 12 La matrice APS e l elettronica di lettura in 14 Problematiche relative al res tissstosilre elenina 18 Altre componenti di Tumore ideare rate 22 Metodologie di riduzione del rumMOre 27 Effetti dello scaling sui dispositivi APS 29 Approcci alternativi sleale nea lalla 30 Danno da PAG azine ses ccc tes etl itches ses a i ie i ia 41 Dano da esposizione i uae a i ea ella 41 Danno da singolo evento rele lella leali 48 Rivelazi
18. SEU in quanto immagazzinano l informazione in pi nodi fisicamente distanti e le cui tensioni devono esser variate contemporaneamente per commutarne lo stato Poich improbabile che due o pi particelle ionizzanti colpiscano contemporaneamente il sustrato e proprio nei punti critici questa architettura risulta efficace nella soppressione dei SEU Introduzione 51 cot ae A Combina Registro toria A Logica Combina Registro toria IN Decisore Logica Combina Registro toria Decisore Figura 27 Schema di circuito digitale resistente agli effetti da singolo evento Ogni blocco triplicato decisore compreso e la scelta dell uscita giusta fatta a maggioranza Pi complesso il metodo per la riduzione dei SET in quanto richiede di aumentare la ridondanza dei circuiti Ogni blocco di logica viene di conseguenza triplicato e alla fine i 3 valori dei blocchi identici sono mandati ad un circuito arbitro che decide a maggioranza quale sia il valore corretto Anche questo approccio si basa sull ipotesi che sia altamente improbabile che un SEU colpisca contemporaneamente due o pi aree correlate del dispositivo Per rendere ulteriormente affidabile il circuito nel caso che una radiazione colpisca il circuito arbitro anche questo pu esser Introduzione 52 triplicato in modo che la decisione venga presa in base all interazione fra questi tre elementi
19. avvenimento spesso inferiore al frame rate del sensore per cui la maggioranza dei frames risulta priva di informazioni e appesantisce semplicemente il sistema di acquisizione con dati inutili Proprio per questo si tenta di impostare delle soglie che filtrino solo i dati effettivamente interessanti che mostrino cio un impatto uno o pi pixel piu luminosi rispetto la media Figura 69 Screenshot del programma in VB per l acquisizione dei dati via seriale Il Chip RAPS 03 123 Frames 100 Skip first soo Reset Load_Registers 10 Istogramma file1 txt Save fina 20 Threshold Stop t 1 Reset sent to FPGA I a CI ShowasOsciloscope 0 00 Naw register setting 1850 1995 06646728516 315 315 1024 256 0 x i 02116 0 00 Started acquisition Minimo Media 2063 208 100 lates 100 frames Frame Figura 70 Screenshot del programma in Visual C per l acquisizione dei dati da USB In questo caso per esempio possibile notare un disturbo periodico sulla media dei valori acquisiti Per il controllo dell USB si invece preferito sviluppare un applicazione in Visual C impiegando Visual Studio 2005 Figura 70 Anche questo programma prevede le stesse possibilit del software in Visual Basic con la creazione di un piedistallo su un numero stabilito di acquisizioni preliminari e la possibilit di scartare i valori la cui deviazione rispetto il piedistallo risulti inferi
20. carica fotogenerata non raggiunge la n well per drift bens per diffusione termica penalizzando pertanto la velocit di raccolta che risulta pari all incirca alla vita media del portatore nello strato sensibile 10us Una variabile importante nella raccolta di carica la presenza o meno di uno strato epitassiale infatti possibile impiegare come spessore sensibile o un bulk p ad alta resistivit o una zona epitassiale p ad alta resistivit sopra un sustrato p a bassa resistivit Questo ultimo approccio permette un minore spreading di carica poich il profilo di drogaggio sustrato epi p well poste dove non viene realizzato il diodo crea un minimo di tensione locale a met dello spessore dello strato epitassiale dove gli elettroni vengono a raccogliersi muovendosi quindi parallelamente alla superficie prima di esser raccolti dalla n well e limitando cos il volume della nube di carica Di contro il sustrato p non contribuisce alla raccolta di carica poich la il cammino medio di una particella all interno di esso troppo breve rispetto alla distanza dallo strato epitassiale a causa della maggiore facilit di ricombinazione Pertanto tutta la raccolta della carica avviene all interno dello strato epitassiale meno drogato dove gli elettroni possono raggiungere in tempo l elettrodo di raccolta cio la n well senza esser soggetti a ricombinazione Per questo la presenza di strato epitassiale pone un limite allo
21. creare una funzione di trasferimento per la struttura e osservare come questa tenda a variare per differenti tensioni di polarizzazione fornite in ingresso stato osservato un comportamento lineare per ingressi che stiano entro il range di tensioni a cui ci si aspetta che il fotodiodo lavori Vrp lt Vad Vi in questo caso pari a 1 4 circa ma con un valore di saturazione inferiore in ingresso dipendente dalla polarizzazione Maggiori tensioni di polarizzazione conducono ad un maggiore valore di saturazione minimo erodendo l escursione disponibile in uscita per la matrice Nella zona lineare invece il valore del guadagno tende ad essere costante rispetto alla tensione di polarizzazione con un valore di circa 0 83 0 85 Valori di uscita max e min del SF in funzione della tensione di polarizzazione Curva ingresso uscita per il SF a diverse Vpol ee 13 a J 43 Vpol 20mV Vpol 575mvV Vpol 755mV Vmax Ymi V o 06 4 0 6 0 5 4 0 5 04 1 1 1 1 1 1 1 0 4 n 1 n 1 1 1 n 0 0 1 0 2 0 3 0 5 0 6 0 7 0 8 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 14 1 6 18 0 4 Vpol V Vin V Figura 74 Variazione di massimo e minimo valore in uscita del SF in funzione della tensione di polarizzazione sx e caratteristica d ingresso uscita del SF per tre tensioni di polarizzazione 20mV 575mV 755mV dx Tramite la struttura Ultradiode stato inoltre possibile effettuare una stima della capacit del fotodiodo small La
22. della successione delle operazioni nei due modi di scan continuo e event triggered La logica stata progettata per funzionare con un segnale di clock fino a 100MHz di frequenza molto maggiore comunque rispetto la frequenza a cui si intende lavorare che di circa 20MHz basata sulla necessit di leggere una matrice in meno di 1ms Il VHDL stato suddiviso in 4 top sections due per la logica delle matrici 32x32 e due per quella delle 128x128 Questa suddivisione stata imposta Il Chip RAPS 03 112 da una riflessione per l ottimizzazione del layout in quanto i segnali di indirizzamento possono esser suddivisi in due classi in base al lato della matrice da cui provengono NON dal lato cui sono paralleli Orizzontali segnali che interessano le colonne di pixel bus di lettura reset globale selezione di colonna Verticali segnali che interessano le righe segnale di select del pixel Proprio per questo si sono separati i blocchi di logica che generano o gestiscono questi segnali stata generata una sezione laterale per generare i segnali di abilitazione delle righe fondamentalmente si tratta di un registro a scorrimento della stringa 00 001 ed una sezione inferiore per generare i segnali di abilitazione delle colonne e di reset Il top inferiore contiene inoltre la logica della macchina a stati finiti oltre ai registri in cui sono contenuti 1 valori delle temporizzazioni I registri per le temporizzazioni sono due re
23. di tensioni a cui il source follower in grado di effettuare la lettura che nel caso del RAPS un valore che pu variare come visto tra 0 5 e quasi 1V pertanto necessario effettuare una stima della velocit di scaricamento del fotodiodo Il Chip RAPS 03 132 in modo da definire una frequenza minima di funzionamento In questo modo possibile inviare un reset periodico alla matrice o forzare una lettura periodica prima che la caduta di tensione la renda insensibile ad un evento Voltage loss in time for single small and single Large pixel 1 102 098 Small Vout V O96 small 0 043V s f fi f fi f 0 0 02 0 04 0 06 0 08 0 1 0 12 Time s 094 Figura 77 Uscita delle strutture a singolo pixel small e Large leakage Queste misure sono state effettuate osservando l evoluzione nel tempo dell uscita delle strutture a singolo pixel in condizioni di buio e osservandone la pendenza Sono state acquisite 100 forme d onda tensione in funzione del tempo di cui si fatta la media La perdita di tensione rispetto al tempo stata quindi calcolata come il coefficiente angolare della retta interpolante la forma d onda ottenuta stato cos osservata una diminuzione di tensione di circa 43mV s per i pixel a fotodiodo small e di circa 19mV s per i pixel a fotodiodo Large Noto il guadagno del source follower 0 86 possibile trovare la caduta di tensione al f
24. elettronica di amplificazione Questa topologia permette di parallelizzare l acquisizione dei dati dalla matrice con l acquisizione contemporanea di ogni riga rendendo la lettura pi veloce e rilassando le specifiche in frequenza dell elettronica stessa permettendo inoltre un pi efficace filtraggio del rumore ad alta frequenza ma comporta lo svantaggio di generare un forte fixed pattern noise di colonna Infatti poich ogni struttura di lettura ed amplificazione ha uno scarto rispetto al valore desiderato di guadagno e punto di lavoro dovuto al processo ne consegue che ogni colonna sia soggetta ad un offset rispetto le altre colonne che pu essere molto rilevante Questo problema si rivela molto importante soprattutto nell imaging in quanto l occhio umano risulta molto sensibile a Introduzione ROLLING SHUTTER RESET LETTURA INTEGRAZIONE GLOBAL SHUTTER 17 Introduzione 18 Figura 5 Sequenza delle istruzioni per rolling shutter sx e per global shutter dx nel secondo caso tutta la matrice resettata e dopo l integrazione letta una riga alla volta questo tipo di disturbi ma pu esser facilmente
25. in modo da avere pi opzioni nel range di tensioni di maggior utilit In base alle tensioni scelte si possono ottenere caratteristiche di trasferimento lineari oppure caratteristiche a soglia utili nella MIP detection Il progetto RAPS 84 Lo svantaggio di questo approccio la presenza misurata di un forte FPN di colonna nell ordine dei 15 18mV in quanto questa elettronica non comune a tutta la matrice bens replicata per ogni colonna Dalle misure effettuate sui prototipi inseriti nel RAPS 01 sono risultati di maggior interesse i pixel di tipo GIPO e GIPI i segnali di read e di reset vengono applicati ad ogni riga tramite due registri a scorrimento in modo che ogni riga venga letta e subito dopo resettata rolling shutter RAPS 02 Il chip RAPS 02 ha incorporato le tipologie di pixel G1PO e GIPI che sono risultate le pi performanti fra quelle inserite del sensore precedente oltre ad una matrice WIPS che a causa di un errore progettuale non era stato possibile testare e ad una matrice di un nuovo pixel SHARPS che estende il WIPS permettendo anche una lettura event driven Tre matrici 32x32 con pixel di tipo 3T standard sono presenti all interno del RAPS 02 G1P1 G1PO GIPOL Come detto le G1P1 e G1PO differiscono per la presenza o meno dello strato p block attorno alla n well del fotodiodo La differenza fra GIPO e GIPOL risiede invece nella spaziatura fra i pixel mentre il GIPO formato da pixel adiacenti
26. la stessa tensione di alimentazione della FPGA per generare le tensioni di alimentazione di ADC e RAPS e permette inoltre una buona flessibilit nell acquisizione dei dati grazie all ADC a 12 canali possibile selezionare via VHDL quale uscita analogica fra G1P0 G1POL e GIPI convertire La scheda FPGA impiegata la Spartan 3 Starter Kit della Digilent che impiega una FPGA Spartan 3 X3S200 FT256 e che pu esser collegata al PC tramite porta seriale Caratterizzazione elettrica Sul chip RAPS 02 stato effettuato un intenso lavoro di caratterizzazione sia dal punto di vista dell elettronica che della MIP detection presso le strutture dell Universit di Perugia Il rumore misurato stato calcolato come la deviazione di ogni pixel su 100 acquisizioni uniformi di buio rispetto il proprio piedistallo e facendo la media quadratica di questi valori per tutti i pixel della matrice Per ogni matrice stato calcolato il piedistallo come la media di ogni pixel su almeno Il progetto RAPS 89 100 acquisizioni quindi stato stimato il FPN come la deviazione standard di tutti 1 pixel del piedistallo Il FPN di colonna stato invece calcolato calcolando prima la media di tutti i pixel di ogni colonna e quindi stimando la deviazione standard di queste medie di colonna Le prove sono state eseguite in prevalenza con gli amplificatori in polarizzazione lineare e ad una frequenza di funzionamento di 100kHz Infatti come accen
27. non sono in grado di cancellare il KTC anzi lo peggiorano perch sottraggono al valore letto il valore di reset successivo che afflitto da un valore di rumore kTC differente incorrelato al primo peggiorando il kTC in tensione di un fattore sqrt 2 Inoltre ogni metodo di double sampling sia correlato che incorrelato tende a peggiorare il rumore ad alta frequenza sempre di un fattore sqrt 2 a causa della somma in potenza di due contributi dello stesso tipo di rumore fra loro incorrelati Per eliminare il KTC effettuando un vero CDS sarebbe necessario salvare prima il valore di reset e poi il valore di fine integrazione corrispondente ma questo risulterebbe complicato perch richiederebbe di leggere due volte non consecutive ogni pixel alla fine della fase di reset e alla fine della fase d integrazione Inoltre poich la fase d integrazione risulta lunga relativamente alle altri fasi del periodo di funzionamento sarebbe necessario tenere memoria dei valori analogici di reset di tutta la matrice per poter implementare efficacemente questa tecnica infatti nel tempo che intercorre tra il reset e la successiva lettura di un pixel la matrice deve scandire tutti gli altri pixel Inoltre una simile operazione richiederebbe una matrice formata da tanti S H analogici quanti sono i pixel con un evidente Introduzione 29 peggioramento dei costi del sensore Come si vedr comunque possibile superare questa limitazione mediante
28. radiazioni I rivelatori di radiazione CMOS standard pur essendone il funzionamento noto sin dai primi anni 80 hanno iniziato solo di recente ad essere competitivi verso le tecnologie dedicate Infatti all inizio rispetto ai Charge Coupled Devices CCD ai Silicon Drift Detectors SDD e ai sensori gassosi risultavano piu rumorosi oltre ad avere un rapporto fra fotoni incidenti e segnale in uscita Quantum Efficiency QE molto basso Questo era dovuto sia alla bassa percentuale di area sensibile in ogni pixel del sensore Fill Factor FF sia al poco efficiente meccanismo di raccolta di carica Solo di recente 1 grazie al costante processo di queste tecnologie spinto dal loro impiego nell elettronica di consumo stato possibile correggere questi difetti e renderli secondari rispetto gli innumerevoli vantaggi del CMOS Infatti l integrazione sempre pi spinta ha permesso di aumentare l elettronica all interno del pixel senza penalizzare il Fill Factor In questo modo stato possibile inserire dell elettronica di condizionamento del segnale all interno del pixel in modo da diminuire il rumore e nel contempo elaborare pi efficacemente un segnale altrimenti molto pi basso rispetto le tecnologie alternative La possibilit di sfruttare la tecnologia CMOS Introduzione 7 standard ha permesso inoltre un deciso abbattimento dei costi per la creazione e fabbricazione dei sensori di radiazione grazie all economia di
29. scala derivante dall impiego della stessa tecnologia anche per l elettronica di consumo il costo per unit d area sensibilmente inferiore rispetto a tutte le tecnologie rivali Inoltre la possibilit di inserire tutta la catena di processing del segnale su un unico chip i bassi consumi e l impiego di basse tensioni di alimentazione ne fanno un candidato ideale per i sistemi portatili I vantaggi del CMOS si riassumono nei seguenti punti Basso costo e tecnologia facilmente disponibile Basso consumo di potenza Utilizzo di basse tensioni di alimentazione lt 5V Alta risoluzione grazie al costante scaling della tecnologia CMOS secondo la legge di Moore Possibilit di inserimento di elettronica sia digitale che analogica sullo stesso chip del sensore per ottenere un sistema di acquisizione pi compatto Possibilit di assottigliamento del bulk sensibile eliminando l effetto del multiple scattering e migliorando la risoluzione Possibilit di lettura non necessariamente sequenziale con definizione di zone d interesse Gli svantaggi invece sono i seguenti Alto rumore e fixed pattern noise Bassa efficienza nella raccolta del segnale I sensori di tipo CMOS richiedono di conseguenza di dedicare una certa area del sensore all elettronica ancillare del sensore in modo da ridurre l impatto del rumore sui valori misurati Funzionamento fisico della tecnologia CMOS Il funzionamento fisico di ques
30. start end frame Controllo della Logica Load Registri contatore 16bit RAPS send T fae x Vo indirizzo 14b data v data ready Matrix out RAM 12bit 12x16kbit Te A n Q Tint 5b J9S9 Load ae ase Ss I 8bit gt Controllo USBverso Controllo USB da PC PC A Interfaccia con ss FIFO USB Pipe Figura 68 Schema a blocchi del VHDL per la Opal Kelly Nel riquadro mostrato il diagramma del blocco controllo USB verso PC L interfaccia verso il PC composta da una FIFO e da una pipe I dati dalla RAM sono inseriti nella FIFO che fa cos da raccordo fra le due sezioni che usano clock differenti una usa il clock della scheda l altra usa il clock dell USB Si preferito impiegare un doppio buffer RAM e FIFO per ridurre il rischio di acquisire frames parziali infatti la seconda scansione della RAM per la scrittura su FIFO richiede lo stesso tempo della lettura di un frame e come spiegato in precedenza per ogni prestazione di interesse il tempo d integrazione risulta comunque di molto superiore al tempo necessario per la lettura Tuttavia pu verificarsi il caso in cui la FIFO risulti Il Chip RAPS 03 121 ancora parzialmente piena intanto che si sta acquisendo un nuovo frame in questo caso potrebbe avvenire che ad un certo punto la FIFO risulti piena prima della completa acquisizione del frame e che
31. struttura composta da 8000 fotodiodi connessi in parallelo in modo da rendere ininfluente il disturbo causato dalla capacit della PAD di lettura e dalle incertezze sul sistema di acquisizione e sull impulso di corrente Si ottenuto un valore medio di circa 3 5fF per le tensioni di polarizzazione inferiori a 1 4V si ricordi che Il Chip RAPS 03 130 su un pixel APS del RAPS non possibile caricare il fotodiodo a tensioni superiori a Vaa Vin oltre i quali il valore di capacit tende a scendere Caratteristica del SF del pixel dia T T T T T T T T T esi 1 05 y 0 86 x 0 14 linear i ft 0 95 j J 0 9 e 4 2 085 x 4 gt g 0 8 4 0 75 i 4 0 7 4 0 654 4 4 L L 1 i Jk i I 1 09 095 1 105 11 115 12 125 13 135 14 Vin Figura 75 Funzione di trasferimento del SF alle tensioni di interesse con la polarizzazione impiegata per le misura di leakage e di matrice Anche la logica stata sottoposta ad una prova di performance poich il sensore deve essere in grado di funzionare ad alte frequenze necessario che la logica supporti una frequenza di almeno 16MHz necessaria per riuscire ad effettuare la lettura di un intero frame da 128x128 pixel in almeno 1ms Il RAPS 03 stato di conseguenza testato a frequenza di clock elevate osservando via oscilloscopio se l evoluzione dei segnali digitali logici seguisse il funzionamento previsto o se dimostrasse un comportamento errato Le pro
32. superficie trascurabile rispetto il fotodiodo e a raccogliere una quantit di carica proporzionale Il problema derivante dall aumentata capacit del fotodiodo viene superato perch sfruttando il maggior numero di componenti cos impiegabili ora tutto il pixel pu contenere nMOS possibile utilizzare approcci pi efficienti nella conversione carica tensione che non la semplice capacit del fotodiodo implementando per esempio un amplificatore di carica direttamente a livello di pixel Con questi dispositivi stata stimata un aumento di un fattore 3 nella raccolta di carica ed stato misurato un SNR di circa 25 con una minimum ionising particle MIP Un simile approccio non impiegabile per nell ambito del visibile in quanto la luce visibile genera carica solo in superficie dove verrebbe bloccata dall elettronica Introduzione 36 pa Gal Elementary cell f q SS DE s A m R pe be Logic section i a H Pi NMOS DI T j 2 v7ih Ylfs H X A HH Analog section _ NMOS J paroli VA N id d n well leep p7 epitaxial layer p substrate Figura 15 Esempio di pixel con n well profonda Gli nMOS della sezione digitale sono creati sul bulk invece che nella p well profonda per isolare la sezione analogica dalla sezione digitale maggiormente rumorosa 12 Per migliorare la velocit di lettura e ridurre il rumore si pens
33. una riduzione di 7 6 volte del rumore in uscita 120uV contro 910uV di un APS normale La riduzione Introduzione 40 del FPN invece dovuta all imposizione mediante retroazione di una tensione identica per tutti i pixel alla fine della fase di reset con un miglioramento misurato di 21 volte 0 7mV di FPN di colona contro i 15mV dell APS normale inoltre in grado di eliminare l image lag al prezzo di un fill factor inferiore dovuto all introduzione di un ulteriore transistor per collegare il MOS di reset all uscita dell op amp e ad un aumento del tempo necessario per terminare le operazioni di reset Pixel cell Figura 20 Schema del pixel CAPS 6 Per porre un rimedio ad uno dei massimi problemi posti dallo scaling cio la riduzione dello swing di tensione impiegabile a basse tensioni di alimentazione stato proposto un pixel denominato CAPS Complementary Active Pixel Sensor 6 in cui il fotodiodo resettato tramite un pMOS viene letto tramite una catena nMOS normale e in parallelo tramite una Introduzione 41 catena pMOS In questo modo si hanno due segnali uno con swing da 0 a Vaa Vin e l altro con swing da Vin a Vaa da cui viene ricostruito il valore finale permettendo di sfruttare tutta l escursione di tensione possibile Danno da radiazione Uno dei parametri pi importanti per lo sviluppo di sensori di radiazione per fisica delle alte energie e applicazioni medicali la resistenza a
34. 2 9mV a 6 2mV Il progetto RAPS m 1 105 m 0 95 1 m 0 9 0 95 D0 85 0 9 1 05 g G1P1illuminata piedistallo m 5 5000E 01 6 0000E 01 m 5 0000E 01 5 5000E 01 m4 5000E 01 5 0000E 01 pela 4 0000E 01 4 5000E 01 i 6 0000E 01 g G1P1 illuminata 5 5000E 01 4 5000E 01 4 0000E 01 Figura 54 Esempio di correzione con sottrazione del piedistallo dalla matrice illuminata Si noti la riduzione del Column FPN Caratterizzazione funzionale Per la caratterizzazione della risposta alla radiazione incidente il chip stato sottoposto seguenti prove Esposizione a sostanze radioattive che rilascino particelle di varia natura raggi X y particelle a particelle B Irraggiamento X Caratterizzazione mediante laser il sensore stato illuminato con fasci laser di differenti lunghezze d onda infrarosso visibile ultravioletto Scopo di questi esperimenti l individuazione di una serie di parametri di interesse SNR in caso di MIP Segnale in funzione della frequenza della radiazione incidente Profondit effettiva di raccolta Stima dello spreading di carica Massima risoluzione ottenibile Il progetto RAPS 92 Assumendo R come rumore termico della matrice per valutare il segnale in caso di single photon counting la procedura adottata per caratterizzare la risposta a MIP prevede 1 seguenti passi Acquisizione del piedistal
35. 30 Marzo 2007 Legnaro Italia T Greig C Castelli A Holland D Burt The Design of an Active Pixel Sensor Test Structure Optimised for the Read Out of Bibliografia 153 Scintillator Screens Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 573 2007 30 33 16 J Wyss Introduction to radiation damage concepts physical quantities radiation environments Scuola Nazionale Rivelatori ed Elettronica per Fisica delle Alte Energie Astrofisica e Applicazioni Spaziali 26 30 Marzo 2007 Legnaro Italia 17 R Turchetta CMOS monolithic active pixel sensors MAPS for scientific applications Some notes about radiation hardness Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 583 2007 131 133 18 F Faccio Metodologie di disegno di ASIC resistenti alle radiazioni Scuola Nazionale Rivelatori ed Elettronica per Fisica delle Alte Energie Astrofisica ed Applicazioni Spaziali 4 8 Aprile 2005 Legnaro Italia 19 M Bruzzi Danno da Radiazione in Rivelatori al Silicio Scuola Nazionale Rivelatori ed Elettronica per Fisica delle Alte Energie astrofisica ed Applicazioni Spaziali 4 8 Aprile 2005 Legnaro Italia 20 V Re Effetti delle radiazioni su dispositivi elettronici in tecnologie CMOS JFET bipolari Scuola Nazionale Rivelatori ed Elettronica per Fisica delle Alte Energie astrofisica ed Applicazioni Spaziali 4 8 Aprile 2005 Legnaro Italia 21 C Redmond Winning the Battle A
36. 384 word da due byte ad una frequenza di 57600 bips richiede 16384 16 57600s pari a 4 551s Impiegando per esempio un tempo d integrazione di 2Mcicli di clock e una frequenza di 7 1MHz setting a cui sono state fatte tutte le prove finora il tempo massimo totale per ogni frame reset integrazione lettura risulta di 296ms frame rate di circa 3 3frames s il che porta alla possibilit best case di osservare circa un frame ogni 15 in uscita dal RAPS Il Chip RAPS 03 118 send data Dati validi dati validi start end frame Controllo della Logica Load Registri contatore 16bit RAPS b indirizzo 14b G H Matrix out RAM 5 12x16kbit g Tint 5b sol gas FS 8bit Controllo seriale verso Controllo seriale da PC PC Figura 67 Schema a blocchi del VHDL sviluppato per la Starter Kit stato quindi effettuato un porting del VHDL per poter utilizzare una evaluation board della Opal Kelly che offre la possibilit di impiegare la porta USB per dialogare col PC La ditta fornisce assieme alla scheda Il Chip RAPS 03 119 Vinterfaccia con la porta USB sia a livello di primitive VHDL che a livello di librerie per il software Partendo dallo schema impiegato per la scheda precedentemente usata stato sufficiente modificare i moduli per la ricezione dei comandi via seriale e per l invio dei dati via seriale sostituendoli con moduli equiva
37. C via software Mediando una serie di valori di reset 0 comunque di frame bui acquisiti prima di far funzionare il sensore si ottiene una matrice buia piedistallo In seguito sottraendo dal piedistallo i nuovi valori letti possibile eliminare quasi del tutto la componente di FPN Purtroppo non sempre Introduzione 28 possibile effettuare le preacquisizioni per calcolare il piedistallo ed inoltre il piedistallo andrebbe aggiornato periodicamente perch possibile una deriva dei suoi valori dopo un lungo periodo di uso Inoltre un simile approccio richiede la presenza di una certa quantit di logica a valle di tutto il sensore che pu essere critica se per il sensore sono richieste caratteristiche di portabilit e bassi consumi Infine bisogna ricordare che in certi sistemi d acquisizione in cui bisogna processare grandi quantit di dati ad alte frequenze pu non esser sempre possibile avere tempo sufficiente per una correzione software che solitamente pi inefficiente dal punto di vista temporale rispetto ad approcci a pi basso livello Pi complicata la possibilit di effettuare Correlate Double Sampling CDS che permetterebbe la riduzione non solo del FPN ma anche del rumore KTC Come precedentemente spiegato il rumore kTC modellizzabile come un incertezza sul valore finale di reset che di conseguenza si ripercuote sul valore finale di integrazione Gli approcci di Double Sampling sopra descritti
38. Figura 36 Schema di un SDD multianodo in grado di fornire le coordinate x y del punto d impatto 22 Particolare cura va messa nella realizzazione di questi dispositivi in quanto sono soggetti ad inversione di drogaggio una elevata dose di particelle ionizzanti tende a trasformare il sustrato p in sustrato n per cui ad un certo punto della loro vita funzionale risulta necessario per impiegarli invertire le tensioni di polarizzazione con perdita di efficienza nella raccolta di carica pi difficile generare la zona svuotata e di sensibilit CCD E stata anche esplorata la possibilit di impiegare per gli esperimenti HEP la tecnologia CCD Charge Coupled Devices Questi sensori sono strutturati come un array di gates posti sopra ad un canale drogato n e ad un bulk di tipo p Durante la fase d integrazione si impone un potenziale positivo su un gate mentre i due gate adiacenti sono tenuti ad un potenziale negativo Questo fa s che sotto al gate a tensione positiva si crei una tasca di potenziale in cui gli elettroni fotogenerati sono raccolti Per leggere l informazione di carica ad ogni ciclo di clock il gate accanto a quello a tensione positiva viene portato ad una tensione positiva anch esso quindi il Introduzione 66 precedente viene spento la carica immagazzinata nella tasca viene di conseguenza spostata verso la nuova tasca creata dal gate appena acceso In questo modo la carica raccolta nei vari pixel si sposta di p
39. In alternativa si pu campionare l uscita dello stesso blocco in 3 istanti diversi in modo che il picco di tensione influenzi un unico campionamento ma questo approccio richiede l impiego di tre clock sfasati che pu essere problematico da implementare soprattutto se richiesta un elevata frequenza di funzionamento Rivelazione di raggi X Perch una radiazione incidente rilasci carica nel silicio come detto in precedenza necessario che l energia di questa sia dello stesso ordine di grandezza dell energia band gap del silicio che pari a 1 leV In realt questa energia di band gap non quella che deve esser fornita dalla luce per spostare un elettrone dalla banda di valenza alla conduzione Infatti nella banda del silicio i punti di sella delle bande di valenza e conduzione sono associati a frequenze spaziali differenti indirect band gap per cui un elettrone per cambiar di banda richiederebbe assieme all energia di 1 1eV anche la presenza contemporanea di un fonone che crei una deformazione del reticolo tale da sovrapporre i punti di potenziale massimo e minimo delle bande di valenza e conduzione rispettivamente Energia 1 1eV Banda di valenza Momento Figura 28 Grafico qualitativo della struttura a bande del silicio Introduzione 53 Poich ci difficilmente pu avvenire si assume come energia di band gap nell ambito dei rivelatori di radiazione in silicio la differenza di energia fra il punto
40. MAGING pa colirlrassidluadia ae 142 CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI 147 CONCIUSIONE tiroidei 147 Sviluppi TUG surreale it 148 BIBLIOGRABS chela 151 SOMMARIO umile ee 155 RINGRAZIAMENTI elena 157 Ringraziamenti 157 RINGRAZIAMENTI Finita la tesi di dottorato doveroso ringraziare innanzitutto la mia famiglia mia mamma mio pap e mio fratello Marco per il supporto e l affetto che non mi han mai fatto mancare Ringrazio anche le mie care nonne Lina e Rosa cos come i miei nonni Mario e Vincenzo che purtroppo non ci sono pi zii zie e cugini e tutti 1 miei parenti che mi hanno sempre confortato e alutato Un sentito ringraziamento anche al mio Tutor Prof Paolo Ciampolini e ai miei colleghi ed amici del laboratorio per essermi sempre stati d aiuto durante il periodo di tesi Grazie ad Alessandro Marras Andrea Ricci Guido Matrella Ferdinando Grossi Matteo Grisanti e Valentina Bianchi Un sentito ringraziamento anche a tutti gli amici che ho conosciuto durante questi tre anni di Dottorato in Palazzina 4 Giovanna Matteo Eric Pietro Andrea Lorenzo Francesco Senza dimenticare gli amici e colleghi dei laboratori di Automazione e Elettronica Analogica in particolare ringrazio Antonio Affanni Andrea Toscani Cristiano Azzolini Alessio Facen Silvia Dondi Alessandro Carboni Ringrazio inoltre tutti i professori 1 maestri che ho avuto in tutto il mio periodo di studio dall asilo all universit e 1 don del mio p
41. a che potrebbe verificarsi nel caso che la fase di scrittura RAM FIFO sia pi veloce della lettura FIFO USB e che il periodo di integrazione reset lettura del RAPS sia minore di 800us difficile che accada Il Chip RAPS 03 126 RAPS FPGA n J Readout Write RAM 16k 16k Attesa frame Reset 1 256 Write FIFO 16k r t Read USE 800us circa Integrazione pu esser m Wait Frame fatta iniziare 128 8M pu esser quando la negativo se FIFO non Integrazione ancora piena Reset lt 16k 77 Acquisisci ec elabora frame iabil Readout Write RAM variabile 16k 16k Figura 72 Schema della sincronizzazione RAPS FPGA PC I tempi sono specificati in cicli di clock Ogni ulteriore latenza quindi da imputarsi al programma che prima di interrogare la porta USB per acquisire una nuova matrice deve terminare il processing sulla matrice precedente lasciando di conseguenza il nuovo frame nella FIFO della FPGA per il tempo necessario Nella fattispecie la stima stata effettuata con un programma di acquisizione che effettua una Il Chip RAPS 03 127 certa dose di processing del frame calcolo in RT di media e valore minimo oltre alla visualizzazione dell immagine Impiegando una versione del programma dotata di minore calcolo ausiliario possibile di conseguenza abbattere ulteriormente la latenza Durante la creazione del programma di acquisizione si comunque tenuto
42. a distribuzione Raggi X Il progetto RAPS 93 Un primo lavoro di caratterizzazione stato effettuato tramite irradiazione con raggi X Mediante l impiego di sistanze radioattive e prove con tubi a raggi X per uso medicale e monocromatori stato possibile stimare l escursione di segnale in seguito ad un impatto da fotoni a differenti energie Il sensore stato sottoposto a fotoni X e sono state raccolte le escursioni di segnale dei pixel che risultavano colpiti estrapolando cos una curva del segnale in funzione dell energia che mostra come il segnale registrato dal RAPS risulti proporzionale alla lunghezza d onda della radiazione X entro 1 50keV La carica generata nei fotoni X inoltre risultata confinata sempre entro il pixel colpito senza dare origine a cluster di pixel 20 18 161 14 12 VI 00 8 6 4 20 o_o o ooo o_o ok JALI GERA RELL FL MERD RAEN KEE LL RERI R Photon Energy KeV Figura 55 Fit dei valori misurati con l irraggiamento a raggi X di differente energia Il progetto RAPS 94 140 c ndf 16 79 10 120 Constant 54 42 3 54 100 80 60 of Events 40 20 Cluster Signal mV Figura 56 istogramma delle visite per un tubo a raggi X e monocromatore a 8keV E visibile anche il picco dell emissione secondaria a 16 keV L irraggiamento stato effettuato mediante un isotopo Fe che rilascia foton
43. a raccolta e confrontarla con la quantit di carica nota che viene solitamente rilasciata nel sustrato dalla particella in esame In questo modo possibile computare il SNR per le varie particelle Il sensore irradiato in particolare con particelle p da Ste raggi y da 141 Am ha dimostrato di essere in grado di rivelare un gran numero di particelle dal comportamento assimilabile ad una MIP sia pure con differenti SNR e dimensioni di cluster Tramite la scelta del funzionamento a soglia in cui l elettronica di colonna si comporta come un comparatore e scegliendo un adeguato valore per la tensione di comparazione selezionata caricando un registro a 5 bit stato possibile dimostrare la possibilit di ottenere un escursione di segnale in uscita di circa 800mV sufficiente a generare un evento di trigger al passaggio di una particella Impiegando invece una polarizzazione lineare stato possibile effettuare misure pi precise sulla raccolta e lo spreading della carica generata In particolare la particella p genera un cluster di 4 pixel indipendentemente dal fatto che la matrice usata sia una G1PO o una GIPOL Il segnale totale misurato sommando il valore di tutti i pixel nel cluster 2x2 invece ha mostrato una distribuzione di Landau con un MPV superiore a 25mV che implica un SNR gt 20 per tutti i pixel Il progetto RAPS 96 100 80 Es Constant 355 7 49 9 25 18 0 33 MPV Sigma
44. aese per avermi sempre aiutato a crescere culturalmente e spiritualmente Ringrazio altres tutti gli amici della mia compagnia in particolare Mirco Giuliano Enrico Matteo B Nicola Evandro Claudio Marco Gianluca Mauro Beatrice Erika Linda Matteo S Elena Vera Sabrina Ringraziamenti 158 dell universita in particolare i due Giovanni Claudio Angelo Rosario Paolo Devis Marco Andrea Lorenzo Luca Luisa Alessandro Manuela Matteo Matteo detto Carletto Stefano Gabriele Francesco Landry Francesca di Parma e provincia Giacomo Angelo Sergio Andrea Pier Paolo Cristina Laura dei viaggi diocesani in particolare Miriam Federica Cristina Claudia Elena Lorenzo Valeria Ilaria Matteo Maria Chiara Carlo Paolo Cecilia Sara Antonella Stefano Fabrizio Lucia Angelo Michela Sara Monica Gloria della Palazzina 4 e delle altre palazzine Centinaia i motivi per ringraziare tutti dall aiuto nelle pi disparate difficolt alle ore di divertimento insieme una lista ancor pi estesa del numero delle persone da ringraziare Spero di non aver dimenticato nessuno in caso contrario sono pronto a far penitenza Ringrazio ancora tutti per tutto Paolo
45. alutare le scelte tecnologiche compiute all inizio del progetto in seguito a numerose simulazioni In particolare era necessario valutare la correttezza della scelta della tecnologia cio la UMC 0 18 Mixed Mode RFCMOS 1 8 3 3 Il progetto RAPS 76 Questa tecnologia stata scelta sia rispetto le tecnologie alternative sia rispetto la stessa tecnologia con lunghezza di canale a 250nm in quanto risulta essere in grado di fornire il massimo swing di tensione in risposta all impatto di una particella Dalle simulazioni svolte tramite Dessis la possibilit di miniaturizzare 1 componenti e di conseguenza le capacit parassite ha mostrato una stima di escursione di segnale superiore per la tecnologia a 180nm 0 30 m Reset Pulse 0 20 Voltage V SFT tecemecccececcccccccscccccsoe gt PPPPbocca O 100 200 Time nsec Figura 42 Tensione di un fotodiodo all impatto di una MIP in funzione del tempo ns per tecnologia 0 25um e 0 18um Un altra opzione considerata stata la possibilit di impiegare o meno uno strato epitassiale Ricordando che l impiego di uno strato epitassiale tende a ridurre lo spreading di carica fra i pixel maggior precisione nell individuazione del punto d impatto ma anche a ridurre la raccolta di carica solo la carica generata nello strato epitassiale raccolta sono state effettuate delle simulazioni per stimare la raccolta In base a queste simulazioni preliminari stato possibile ve
46. amente 10 cm e di spessore di 150 300um vengono realizzate delle sottili strisce di tipo p Il sustrato tipicamente polarizzato tramite una tensione positiva 100V posta su un contatto n sul fondo del sensore che svuota completamente il volume del dispositivo permettendo una raccolta di carica su tutto il volume La raccolta di carica avviene tramite le strisce p che raccolgono le lacune generate dalla radiazione incidente permettendo di stabilire la coordinata di impatto perpendicolare alla direzione delle strisce Tipicamente la risoluzione effettiva detta L la distanza fra le strisce L sqrt 12 con L tipicamente 50um in quanto effettuando un confronto con le strip adiacenti possibile avere un informazione pi accurata che non la semplice posizione della strip che ha raccolto la maggior carica Si tende a raccogliere lacune invece di elettroni in quanto con un sustrato p e strisce n il danno da radiazione sull ossido causerebbe la creazione di canali parassiti fra le strip cortocircuitandole e impedendone cos il corretto funzionamento Charged parlicle track Alumnium backplane Figura 33 Microstrip da hepwww rl ac uk Introduzione 63 Tipicamente questi sensori possono raccogliere una grande quantita di carica gt 20000 portatori grazie all intero volume sensibile e alla raccolta per drift per sono affetti da un rumore non trascurabile per cui il loro SNR tipicamente di 10 15 possibil
47. antaggi di tale approccio provengono come precedentemente descritto dalla scarsa efficienza nella raccolta di carica e dalla presenza di elevato rumore KTC In generale il funzionamento da vertex detector abbastanza differente rispetto l imaging Se in questo ultimo caso le particelle da rilevare fotoni sono talmente numerose da essere considerate una grandezza continua e di cui si vuole trovare la quantit in funzione della posizione spaziale nel primo caso c un numero finito di particelle da rilevare spesso una sola di ognuna delle quali si desidera la coordinata di attraversamento del sensore Di conseguenza l output di un vertex detector sar un immagine totalmente scura con pochi punti illuminati in corrispondenza dei passaggi delle particelle Tuttavia l identificazione di un punto di passaggio non un problema banale Infatti mentre nell imaging visibile la carica viene generata in superficie all interfaccia fra ossido e silicio a causa dello scarso spessore di penetrazione la carica generata da una MIP si localizza nel bulk Ci dovutoi al fatto che le MIP non vengono fermate dal silicio ma lo attraversano generando una circa 80 coppie elettrone lacuna per micron attraversato Se da un lato questo fenomeno consente di avere un fill factor vicino al 100 in quanto anche il bulk sottostante la superficie occupata dall elettronica di pixel pu contribuire alla generazione di carica dall altro porta
48. antiene la curvatura del fascio l acceleratore non pu contenere fasci a differenti velocit per cui le particelle si muovono raggruppate in bunch che si susseguono ad una frequenza fissa Un secondo fattore che limita le prestazioni degli acceleratori circolari l emissione di radiazione di sincrotrone che avviene ogniqualvolta una particella carica si muove in una traiettoria circolare Ad alte energie gran parte della potenza immessa nel sistema viene pertanto persa in radiazione di sincrotrone per cui solo un residuo pu esser usato per l accelerazione Introduzione 59 Di conseguenza si pensa che in futuro gli acceleratori circolari saranno sostituiti per le altissime energie da acceleratori lineari di nuova concezione di lunghezza dell ordine delle decine di km attualmente il pi lungo con 3 2km di cammino lo Stanford Linear Accelerator Center SLAC in California La camera di collisione in cui avvengono tutte le interazioni dell acceleratore pu esser vista nei casi di esperimenti a pi alte energie impatto fra due fasci come una serie di cilindri concentrici di diametro crescente strati o layers Ognuno di questi layer svolge una funzione differente rilevando un diverso tipo di particella o registrando una diversa informazione om 2m Key Muon Electron Charged Hadron e g Pion Neutral Hadron e g Neutron RE Photon Tracker Electromagnetic A Calor
49. anto tempoinvariante ed dovuto ai mismatch fra le caratteristiche di componenti nominalmente Introduzione 26 identici all interno del pixel e nell elettronica analogica di processing del segnale In particolare ha forte dipendenza dalle variazioni delle tensioni di soglia essendo il valore all inizio dell integrazione Vag Vin e delle correnti di polarizzazione del transistor C D Si configura di conseguenza come un offset costante fra i valori letti dei pixel in quanto i due parametri descritti sono determinano il punto di lavoro del sistema In pratica a causa di questo rumore se si sottopone il sensore ad illuminazione uniforme le immagini ottenute non risultano uniformi ma mostrano un pattern fisso donde il nome e immutabile nel tempo A sua volta all interno del Fixed Pattern Noise si pu individuare il Fixed Pattern Noise di colonna dovuto non tanto alle variazioni fra i parametri dell elettronica dei pixel quanto alle variazioni dell elettronica di processing del segnale proveniente dalle colonne Poich la matrice viene scandita una riga alla volta e tutti 1 pixel della stessa colona sono letti dalla medesima elettronica si osserver un offset fisso fra le colonne del sensore Un secondo contributo al FPN del pixel CMOS costituito dalla corrente di leakage Il fotodiodo essendo un diodo flottante polarizzato in inversa tende a spontaneamente scaricarsi per colpa della corrente di inversa che causa una pe
50. ate le cariche positive nell ossido spinte verso l interfaccia da Vgg gt 0 nMOS facilitano la creazione del canale Ossido d isolamento l ossido di isolamento tende ad agire da nMOS parassita causando un aumento della corrente di drain anche sottosoglia Le lacune generate nell ossido si spostano lentamente e tendono a restare intrappolate nei difetti dell ossido che sono pi densi vicino all interfaccia con il bulk e questo effetto si ha sia soprattutto nell nMOS causando una Introduzione 43 variazione nella tensione di soglia che scende perch le cariche positive facilitano la creazione di un canale n Oltre all accumulo di cariche nell ossido va considerato che la radiazione crea del danno reticolare sull interfaccia Ossido Silicio creando dei centri assimilabili a trappole per le cariche mobili Di conseguenza questi difetti tendono ad ostacolare la creazione del canale nei MOS portando ad un aumento della tensione di soglia sia per i transistor di canale p in modulo che di canale n Questo stesso fenomeno causa una degradazione della transconduttanza direttamente proporzionale alla mobilit nel canale con conseguente peggioramento sia del rumore termico che del rumore 1 f Poich un fenomeno preponderante ad elevate dosi osservando la variazione di tensione di soglia dell nMOS in funzione della dose si osserver in particolare una diminuzione per valori bassi seguita da un aumento in seguito a
51. ato di introdurre dispositivi dotati di convertitore analogico digitale direttamente sul pixel Digital Pixel Sensor DPS 5 In questo caso all interno del pixel vengono perci inseriti assieme al fotodiodo un comparatore e un registro parallelo a 8 bit per creare un ADC a rampa singola Durante la fase di lettura sul secondo ingresso del comparatore viene messa una rampa di tensione mentre il registro viene caricato da un contatore esterno comune a tutta la matrice tramite un bus digitale d ingresso Quando il valore della rampa supera il valore in uscita dal fotodiodo il comparatore commuta disabilitando il registro e di conseguenza salvando su di esso l ultimo valore del contatore esterno Alla fine della rampa vengono letti tramite il bus digitale i valori salvati sul registro di ogni pixel e si ottiene il valore della matrice Questo approccio permette di effettuare facilmente il CDS con una rampa all inizio della fase di reset si hanno i valori di buio quindi alla fine della fase d integrazione si hanno i valori di luce gia in formato digitale e permette una buona velocit di lettura della matrice in quanto si deve leggere una sequenza di valori digitali e non analogici La durata della conversione di circa 25us mentre la lettura di una matrice di circa 100k pixel tipicamente richiede circa 75us ma pu essere effettuata in parallelo al periodo di integrazione del frame successivo permettendo una frame rate di cir
52. atteristiche utili nell elettronica ancillare sono state proposte una serie di modifiche allo schema classico dei pixel a 3 transistor Introduzione 31 Column line i l Figura 11 Esempi di schematici di pixel 4T 28 Uno dei pi popolari il pixel 4T 9 28 in cui viene inserito un pass transistor tra il diodo e il transistor C D In questo modo possibile dimensionare la capacit del fotodiodo senza preoccuparsi della conversione carica tensione Infatti nel decidere le dimensioni del fotodiodo necessario ricordare che una n well di grandi dimensioni permette di raccogliere maggior carica maggior estensione della zone svuotata Tuttavia in tal caso il FD ha anche un valore di capacit maggiore per cui il guadagno di tensione in funzione della carica raccolta viene penalizzato Con un pixel 4T invece il fotodiodo pu esser realizzato di dimensioni maggiori mentre la lettura della carica viene effettuata trasferendo la carica raccolta dal fotodiodo su un nodo a bassa capacit la floating diffusion e consentendo cos sia una maggior area di raccolta che un elevato guadagno tensione carica In questi approcci viene impiegato un fotodiodo pinned formato da una struttura p np 10 con le diffusioni p tenute a massa che svuota completamente la diffusione n In questo modo quando il transistor TX acceso la carica viene trasferita completamente sulla diffusione flottante a patto che questa mantenga una t
53. ca 10k frames s Introduzione 37 Gli svantaggi oltre al basso fill factor risiedono nel consumo essendo il comparatore sempre acceso 50mW per tutto il chip di cui 30 per i comparatori oltre alla difficolt di realizzare i componenti necessari sul pixel in tecnologia nMOS Counter Gray Code Ramp Gray Code Input Counter Analog Ramp o Comp 9 a lo Out Input gt t Memory Memory Comp Out Digital Out Loading Latched Figura 16 Schema di funzionamento dell ADC del DPS Bias 2 D Reset V Bias 1 gt ar O Pixel Reset gt _ _ Ramp ea Me 7 Tach QU Sensor Comparator 8 Bit Memory Figura 17 Schematico del DPS con ADC a livello pixel 5 Introduzione 38 Per ovviare ai problemi descritti nel capitolo relativo al reset del diodo esistono in letteratura approcci differenti rispetto i reset soft e hard come il flushed reset 13 e il reset attivo 11 Il primo prevede di combinare hard e soft reset in modo da ottenere sia la soppressione dell Image Lag che la riduzione del kTC In particolare si precarica il pixel ad un valore predefinito in hard reset tenendo il drain del transistor di almeno una tensione di soglia sotto a Vdd in modo da eliminare l image lag Quindi si la tensione di drain viene alzata a Vaa per avere una seconda fase di soft reset in cui il rumore KTC viene abbattuto La parte in soft reset non pu ovviamente introdurre alcun i
54. ccio la possibilit di inserire nel pixel anche transistor pMOS Anche se la loro presenza tende a ridurre il Fill Factor essi non sono in grado di sottrarre carica al fotodiodo in quanto la loro n well si troverebbe ad essere isolata dalla zona svuotata del diodo e a raccogliere unicamente l eventuale carica generata nel bulk dagli X Ad ogni modo l impiego di sensori CMOS nella rivelazione di raggi X in costante aumento grazie alla possibilit di realizzare sensori poco costosi di facile impiego e di dimensioni ridotte utili per esempio nella radiografia dentale Inoltre nell ambito medicale risulta molto utile la possibilit di ottenere i dati in tempo reale senza attendere lo sviluppo come nell uso di lastre chimiche Introduzione 56 X ray input Scintillator Light output p channel reset La Pee E transistor p well Direct generation a tx Deep charge collected by n well Figura 30 Schema di pixel ottimizzato per scintillatori solo la carica generata in superficie nella p well raccolta mentre la carica generata nel bulk viene raccolta dalla n well dei pMOS 15 Acceleratori di particelle Per approfondire la conoscenza della materia nei suoi componenti basilari scopo principale degli esperimenti di fisica delle alte energie High Energy Phisics HEP risultano essenziali gli acceleratori di particelle Scopo di questi dispositivi accelerare particelle a velocit vicine a quella del
55. cessive da 3MS s con uscita a 12 bit seriali per le 32x32 che sono state studiate per funzionare a frequenze pi basse Questi ADC possono esser collegati ad una sola matrice alla volta per cui per poter acquisire l intera matrice 256x256 sar necessario collegare ad un ADC esterno le uscite analogiche delle matrici rimaste scollegate Inoltre i due canali del convertitore flash sono collegati allo stesso ingresso analogico ma uno riceve l ingresso cos com mentre l altro lo riceve tramite un driver creato con un AD8138 driver ADC a bassa distorsione In questo modo sar possibile anche effettuare prove con soluzioni differenti per l acquisizione in modo da trovare quale sia la pi affidabile Setup sperimentale firmware I segnali di controllo come precedentemente scritto sono generati da un FPGA esterna Nel caso dello Spartan 3 Starter Kit questa viene controllata tramite porta seriale con la quale si possono mandare i seguenti comandi Reset della logica FPGA e del RAPS Caricamento dei registri del RAPS Inizio dello scan del chip Il controllo delle operazioni avviene anch esso per via seriale tramite il programma di controllo residente sul PC infatti possibile inviare 1 comandi principali Reset Carica Registri i valori da caricare Start automatico Start singolo Il Chip RAPS 03 117 Ogni comando invia alla seriale una word di 8 bit in cui 3bit contengono il codice del comando
56. colonna tende ad aumentare i tempi di risposta e di lettura del singolo pixel proprio quando sarebbe necessario avere una maggiore velocit di funzionamento per tenere costante la frame rate La logica di controllo simile a quella della matrice principale con la differenza che essendo possibile effettuare la lettura di un intero frame in tempi inferiori 1024 cicli invece di 16384 anche il massimo tempo di integrazione selezionabile molto pi basso 16384 cicli di clock invece di 4 milioni in quanto importante unicamente evitare che la differenza relativa di tempo d integrazione fra il primo e l ultimo pixel letto sia paragonabile al tempo d integrazione Volendo integrare la matrice per tempi superiori possibile sia diminuire il periodo di clock sia leggere la matrice in modalit event triggered provvedendo il segnale di start esterno a intervalli regolari Sul chip sono inoltre presenti una serie di strutture necessarie per caratterizzare meglio le performance dei singoli elementi della matrice oltre ad esplorare eventuali architetture alternative Queste strutture sono in genere collegate ai rispettivi piedini di output tramite un buffer a guadagno unitario per pilotare la maggiore capacit delle pad di I O del chip Sono presenti Una struttura ultradiode composta di circa 8000 diodi del pixel small connessi in parallelo per studiare la capacit del fotodiodo Una struttura di 2x11 pixel indirizzabili mediant
57. con evidenti vantaggi per il paziente che viene sottoposto ad una quantit inferiore di radiazioni L approccio classico medicale prevede pertanto l introduzione degli strati scintillatori Questi sono pellicole chimiche generalmente GADOX o CsI TI con spessore variabile da pochi micron al millimetro che vengono eccitate quando sono colpite da una radiazione X e che quindi riemettono l energia ricevuta sottoforma di luce visibile cos possibile convertire la lunghezza d onda della radiazione incidente in modo che questa sia pi efficientemente rilevabile dal sensore L introduzione dello strato scintillatore comporta tuttavia l insorgere di una nuova serie di problemi Per cominciare la radiazione luminosa visibile viene rilasciata in maniera isotropa per cui pu essere emessa con un angolo diverso rispetto quello della radiazione che l ha originata A causa di ci il segnale relativo pu esser raccolto da un altro pixel causando un blurring dell immagine che ne danneggia la risoluzione spaziale Per ovviare a questo problema si puntato molto sulla efficace costruzione di strati scintillatori pixellati fatti cio di colonne parallele che incanalano tutta la luce generata in esse verso lo stesso pixel In alternativa si pu optare per uno strato scintillatore pi sottile in modo che la radiazione emessa venga generata pi vicino alla superficie del sensore e perci pi difficilmente colpisca un pixel diverso
58. con s anche un grave svantaggio Essendo infatti le coppie elettrone Introduzione 71 lacuna generate nel bulk e muovendosi perlopi per diffusione termica la loro traiettoria non viene indirizzata se non in minima parte verso la superficie di conseguenza tendono a creare una nube di carica che influenza anche i pixel confinanti con quello colpito Quello che viene osservato in conseguenza al passaggio di una particella pertanto un cluster di pixel colpiti che riflette la diffusione e l espansione della carica nel bulk Questo fenomeno porta alla diminuzione della risoluzione efficace del sensore pi le dimensioni del pixel sono ridotte pi pixel risulteranno interessati al passaggio di una particella Inoltre dividendosi la carica su pi pixel ogni pixel singolarmente avr una minore escursione rendendo pi difficile la scelta di una soglia che indichi infallibilmente se il pixel stato colpito o meno D altronde il fenomeno dello spreading di carica pu anche incrementare con apposito post processing la risoluzione del sensore oltre la risoluzione del pixel Considerando e pesando opportunamente il valore di pi pixel adiacenti infatti possibile individuare il centro di gravit della distribuzione di carica con un errore inferiore alla dimensione del pixel permettendo una risoluzione dell ordine di 2um per un sensore con strato epitassiale e 3 4um per un sensore che ne sia privo 25 Per aumentare
59. conto di questo aspetto e si cercato di ridurre il tempo di latenza imputabile al programma mediante l uso di buffer grafici gli aggiornamenti della grafica vengono prima scritti su un registro di memoria e solo alla fine disegnati su schermo effettuando il salvataggio su file dei dati solo al termine di tutte le acquisizioni previste in quanto l accesso ai file relativamente lento Questo metodo potrebbe esser problematico nel caso si voglia acquisire un grandissimo numero di frames 100000 perch potrebbe arrivare a saturare la RAM del computer Misure sul sensore Una volta messo a punto il sensore stato svolto un lavoro preliminare di caratterizzazione elettrica Il lavoro svolto presso l Universit di Parma in particolare stato orientato verso la caratterizzazione preliminare delle strutture del sensore dal punto di vista elettrico con la valutazione di alcuni parametri importanti per i successivi test funzionali In particolare sono stati svolti Caratterizzazione delle strutture del pixel diodo elettronica di lettura logica di controllo Studio della corrente di leakage Studio del rumore della matrice e del Dynamic Range Prove funzionali della matrice su illuminazione ambientale Sono di seguito riportati i risultati delle misure preliminari effettuate Il Chip RAPS 03 128 Elettronica di lettura Per l elettronica di lettura del sensore formata dal SF del pixel in cascata ad un buff
60. dani W Dulinski Y Gornushkin D Husson J L Riester M Winter Design and Testing of Monolithic Active Pixel Sensors for Charged Particle Tracking IEEE Transactions on Nuclear Science Vol 49 No 2 Apr 2002 601 610 B Mheen M Kim Y J Song S Hong Operation Principles of 0 18 um Four Transistor CMOS Image Pixels With a Nonfully Depleted Pinned Photodiode IEEE Transactions on Electron Devices Vol 53 No 11 Nov 2006 2735 2740 T Lul S Benthien H Keller F Miitze P Rieve K Seibel M Sommer M Bohm Sensitivity of CMOS Based Imagers and Scaling Perspectives IEEE Transactions on Electron Devices Vol 47 No 11 Nov 2000 2110 2122 S Kleinfelder F Bieser Y Chen R Gareus H S Matis M Oldenburg F Retiere H G Ritter H H Wieman E Yamamoto Novel Integrated CMOS Sensor Circuits IEEE Transactions on Nuclear Science Vol 51 No 5 Oct 2004 2328 2336 G Rizzo Recent development on CMOS monolithic active pixel sensors Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 576 2007 103 108 B Pain Member G Yang T J Cunningham C Wrigley B Hancock An Enhanced Performance CMOS Imager With a Flushed Reset Photodiode Pixel IEEE Transactions on Electron Devices Vol 50 No 1 Jan 2003 48 56 R Turchetta Sensori Monolitici a Pixels Attivi Scuola Nazionale Rivelatori ed Elettronica per Fisica delle Alte Energie Astrofisica e Applicazioni Spaziali 26
61. dei transistor fortemente drogate all interno delle quali l area svuotata sarebbe sottilissima senza contare che il fotodiodo si troverebbe ad avere una capacit orizzontale diversa dalla capacit laterale Di conseguenza per avere una maggiore area sensibile sarebbe necessario l impiego di una n well molto estesa che per avrebbe lo svantaggio di avere un elevata capacit che deprimerebbe il rapporto di conversione carica tensione Pixel WIPS Il WIPS un pixel interamente sviluppato all interno del progetto RAPS La motivazione alla base di questo sensore deriva da uno dei maggiori problemi degli edge detectors Come spiegato nei capitoli precedenti per ottenere un informazione limitata le coordinate x y di un punto d impatto un normale sensore invia tutti i dati di tutta la matrice gravando il sistema di acquisizione di una gran mole di informazioni inutili Proprio per questo si ritenuto utile un approccio alternativo con un elemento che mandasse in output non il valore di tutti i pixel della matrice ma solo le coordinate del pixel colpito Ad ogni scansione il WIPS stato studiato per inviare lo status colpito non colpito di ogni riga e di ogni colonna invece che di ogni pixel Di conseguenza se una matrice normale di dimensioni NxM fornisce N M dati il WIPS ne fornisce N M da cui possibile ricavare le coordinate del pixel colpito Ovviamente lo svantaggio di tale approccio che in caso di pi impa
62. di massimo potenziale della banda di valenza e la corrispondente energia della banda di conduzione cio 3 6eV 1 00E 01 Absorption in Si 1006 00 1 10 100 Energy keV Figura 29 Assorbimento di radiazione X in funzione dell energia del fotone incidente per 20um e 500um di Silicio 14 Questo riduce l ambito di utilizzo del silicio al di fuori della luce visibile Radiazioni nello spettro dei raggi X hard a partire da qualche decina di keV hanno un interazione di tipo puntuale col reticolo si ha una forte generazione di carica pari al rapporto fra energia del fotone ed energia per la creazione di una coppia e h 3 6eV e solo in alcuni punti localizzati del silicio Tale interazione per casuale in quanto la probabilit che una radiazione interagisca col silicio proporzionale allo spessore del silicio stesso e dipendente dalla lunghezza d onda Figura 29 Introduzione 54 In particolare questa limitazione rende problematico l impiego di sensori CMOS nelle radiografie soprattutto quando si voglia impiegare il sensore nudo Per ottenere un immagine con buon contrasto serve infatti un sensore con alta quantum efficiency in cui si abbia cio un elevato rapporto fra l escursione del segnale in uscita e l intensit della radiazione incidente Questo parametro a maggior ragione importante perch un elevata quantum efficiency porta a richiedere dosi di raggi X meno elevate per una radiografia
63. drain tipicamente Vaa il transistor lavora in saturazione Vgs Vas e sale fino a Vaa Vin quando entra in debole inversione a questo punto per il transitorio non finisce ma semplicemente rallenta perch il transistor conduce ancora corrente weak inversion di modo che sia necessario un tempo nell ordine dei 200us per raggiungere il punto d equilibrio in cui la corrente di sottosoglia del MOS sia pari alla corrente di perdita del fotodiodo Un simile tempo di reset troppo lungo per cui si preferisce terminare la fase di reset prima lasciando sul fotodiodo una tensione dipendente anche dal valore precedente image lag e dalla durata scelta per la fase di reset stessa Tuttavia possibile dimostrare che proprio il fatto che il transitorio venga interrotto prima del raggiungimento del punto di equilibrio riduca la potenza del rumore KTC di un fattore 2 7 Introduzione 22 La seconda possibilit forzare la conclusione del transitorio di reset facendo in modo di avere sul gate del transistor una tensione di una soglia superiore a quella di drain per fare in modo che il transitorio avvenga col MOS in regione lineare cio con un comportamento simile ad un resistore a bassa impedenza In questo modo la conclusione Vas 0 avviene in tempo utile eliminando ogni persistenza del valore precedente ma si paga con un peggioramento del rumore KTC a fine transitorio la cui potenza in tensione esattamente pari a 8 C Inoltre un s
64. e in cui possibile notare un angolo molto pi chiaro del resto della matrice in condizioni di buio Questo presente sia nella matrice Large che small di destra e corrisponde ai due angoli adiacenti destri il che fa supporre l esistenza di un disturbo centrato all incirca fra Il Chip RAPS 03 139 queste due matrici ed stato osservato in tutti i sensori realizzati Una spiegazione per questo fenomeno la presenza di un dispositivo all esterno della matrice che a causa di un cattivo isolamento inietta elettroni nel sustrato o che comunque causa una variazione di tensione locale del sustrato aumentando la carica raccolta dai pixel presenti entro un certo raggio Alcune prove sono state effettuate per meglio comprendere questo comportamento variando la frequenza di funzionamento mantenendo per costante il tempo d integrazione 1 pixel luminosi hanno mostrato che la loro escursione aumenta con la frequenza variando il tempo d integrazione i pixel luminosi hanno mostrato che la loro escursione aumenta con il tempo d integrazione Questo fa sospettare che si tratti di un disturbo in corrente che viene integrato nel tempo e non di un problema di reset il disturbo in tal caso originerebbe valori costanti a meno del leakage Il Chip RAPS 03 140 fenvm em Figura 82 Posizione della zona colpita nel layout Si pu notare come il centro di questa zona corrisponda all incirca al punto dove present
65. e anche ottenere un informazione 2 D sostituendo il contatto n sul fondo del sensore con strisce n poste perpendicolari rispetto le strisce p di fronte In questo modo mentre un lato raccoglie le lacune e d informazione su una coordinata l altro lato raccoglie elettroni e d informazioni sulla coordinata perpendicolare In questo caso va comunque considerato che l informazione 2D potrebbe essere affetta da errore di parallasse se la particella molto inclinata rispetto la perpendicolare del sensore e che le strisce n non sono rad hard per cui richiedono un certo processing introduzione di una striscia p fra 2 strisce n drogaggio p dell interfaccia con l ossido per evitare che il danno da radiazione le cortocircuiti Silicon drift detectors Una delle tecnologie maggiormente impiegate per i vertex detector a stato solido il SDD Silicon Drift Detector 22 Si tratta di sensori a semiconduttore composti da un sustrato drogato p all interno del quale sono scavate delle strisce drogate n Ponendo lo strato p a tensioni negative e lo strato n a massa sulla sezione trasversale del sensore si forma un avallamento di potenziale che tende ad attirare gli elettroni che risultano cos incanalati verso l anodo Grazie all alta tensione di polarizzazione l intera zona n svuotata per cui gli elettroni generati dal passaggio di particelle vengono raccolti al centro del bulk Oltre alla componente trasversale c una seco
66. e di Poisson che modellizza una serie di eventi discreti che nel caso in esame hanno frequenza media pari a pele q con Iq corrente sul diodo Ricordando che nella distribuzione di Poisson la varianza pari al valore medio in un periodo di integrazione vengono raccolti in media I pn Flg q elettroni Poich il rumore in tensione stimabile dalla relazione n CV q si ha che An n int bs GA pn ta 2 AV C 2 int pd Ovvero in tensione GI ph Irak AV 2 int pd In un rivelatore di tensione la corrente di buio puo di conseguenza dare origine ad un rumore tanto maggiore quanto piu il tempo d integrazione lungo e elevata la corrente di perdita del fotodiodo In generale se il tempo d integrazione risulta inferiore a pochi ms questo contributo di rumore risulta trascurabile Il valore della capacit del fotodiodo inoltre considerabile in prima approssimazione costante nelle tecnologie sub micrometriche dove lo swing di tensione su di esso risulta notevolmente ridotto Il termine lpn mostra inoltre l effetto dei fotoni il cui effetto negativo sul SNR risulta pi elevato in ambiti in cui il sensore deve creare un immagine partendo da piccole quantit di fotoni In questo caso conviene ragionare in termini di fotoni ricordando che il numero di elettroni generato proporzionale al numerosi fotoni incidenti Detto N il numero medio di Introduzione 24 fotoni il segnale raccolto in fotoni
67. e di dark negli ultimi pixel letti La scansione pu essere o periodica automatica o forzata da un evento esterno event triggered selezionando l adeguato ingresso Questo permette di adattarsi a differenti utilizzi in quanto in molti ambiti di richiede un sensore in grado di fornire dati solo quando richiesto Negli Il Chip RAPS 03 106 esperimenti di fisica delle alte energie per esempio si hanno dei sensori che registrano unicamente il passaggio di particelle per esempio i calorimetri e che di conseguenza generano un evento di trigger per 1 vertex detectors sottostanti in modo che la loro lettura possano fornire le coordinate di passaggio della suddetta particella Alla base di ogni bus di colonna presente un transistor che funge da stadio polarizzatore del common drain del pixel letto Durante la lettura tutti i pixel di una riga vengono collegati al bus di colonna quindi tramite un multiplexer analogico viene selezionato ad ogni ciclo di clock un pixel all interno della riga viene selezionato L uscita del multiplexer analogico collegata ad un op amp in configurazione follower che guida il pad di uscita Nella catena di lettura possibile selezionare la tensione analogica da fornire al transistor che polarizza il bus di colonna Bassi valori di tensione portano ad una peggiore performance dal punto di vista della velocit mentre alti valori portano ad una riduzione dell escursione del segnale in uscita
68. e il PAD di clock L angolo colpito si trova in una zona della matrice lontana dall elettronica di supporto o di test ma vicina alla sezione digitale dell anello di I O i cui PAD sono dotati di buffer digitale interno In particolare si osservato che il PAD di clock il segnale d ingresso a maggior frequenza ubicato proprio dove dovrebbe essere il centro del disturbo per cui possibile che sia proprio questo a generare un disturbo di carica che influenza 1 pixel vicini Un secondo problema riscontrato la presenza di alcuni cross talk che non ancora chiaro se imputabili al chip o alla scheda sperimentale Questi si traducono in alcuni rumori periodici uno a bassa ed uno ad alta frequenza Il Chip RAPS 03 141 Small pixel matrix Vout pedestal Tint 256k clock cycles n 80 n F 70 4 60H 4 50 4 30 4 0 1 fi fi f 20 40 60 80 100 120 0 0 5 1 15 2 25 Columns Tempo d integrazione in cicli di clock x 108 Figura 83 Cross talk ad alta frequenza osservato su una matrice differenza fra immagine e piedistallo immagine in negativo e distanza fra le righe scure in funzione del tempo d integrazione selezionato per la matrice 128x128 che direttamente proporzionale a sua volta al tempo d integrazione delle 32x32 Quello ad alta frequenza mostra un pattern che si ripete ogni N righe lette dove N un numero di cui si osservata una dipendenza lineare con il valore di integrazion
69. e incorpora una FPGA Spartan 3 Il Chip RAPS 03 114 una SDRAM da 32MB e un interfaccia seriale col PC ma che non poteva acquisire a frame rate elevate a causa della scarsa bit rate di quest ultima Il PCB stato studiato in base alle caratteristiche di funzionamento previste per il RAPS 03 in particolare necessario Fornire le alimentazioni richieste 1 8 analogica e digitale 3 3 digitale con il minor rumore possibile Fornire una frequenza di almeno 16MHz al RAPS Campionare ad una frequenza fino a 64MSamples s per avere fino 4 campioni di ogni pixel con 12 bit di risoluzione Generare on board la tensione di polarizzazione del RAPS Generare on board le tensioni di riferimento degli ADC Interfacciarsi con facilit con FPGA ed eventuali ulteriori ADC esterni Si optato per la progettazione di un PCB a 4 strati fabbricato presso la Sunstone Circuits In questo PCB i due strati interni sono usati uno come piano di massa e l altro come piano di alimentazione in modo da evitare il cross talk fra le piste di segnale dello strato superiore e di quello inferiore Inoltre stata mantenuta la distanza minima fra due piste pari a 7 mils evitando quanto pi possibile che piste che portino i segnali a maggior frequenza clock segnali di sincronia corrano parallele e vicine Nei piani di massa ed alimentazione il piano di massa analogica tenuto separato da quello digitale ovviamente pi rumoroso e lo stesso vale p
70. e selezionato e che non sincronizzato con la matrice Questo disturbo si manifesta con 256 pixel consecutivi a valore pi alto degli altri circa SmV seguiti da una lettura a valori normali di M pixel dove M risulta pari alla somma di tempo d integrazione e lettura della matrice 32x32 di conseguenza evidente essendo tutte le misure state fatte con tempo di reset pari a 256 cicli di clock che questo rumore risulti nascere da un cross talk con il segnale di reset della matrice 32x32 Il cross talk a bassa frequenza invece osservabile come un rumore che causa periodicamente delle perturbazioni sul valore medio dei frame affliggendone tutti i pixel Questo varia molto con il periodo d integrazione e si manifesta solitamente con la lettura ad intervalli fissi di un frame identico ai frames normali ma differente per un offset fisso Il Chip RAPS 03 142 Cross talk for Large pixel matrix Tint 36ms 076 Observed cross talk Small pixel Matrix 1 074 1 105 Frame Average V 1 066 F Frame Average V 1 095 1 062 Time s 1 09 4 1 058 0 1 085 1 1 1 n L i 0 Time s Figura 84 Evoluzione della media del frame nel tempo per Large sx e small dx Si pu notare la frequenza del disturbo circa 1Hz e l escursione che esso genera circa 10 15mV Prove di imaging Per provare il funzionamento del sensore sono state ino
71. e un decoder e controllabili provvedendo il segnale di reset direttamente dall esterno Due matrici 3x3 in cui ogni pixel collegato direttamente ad un pad di uscita Il Chip RAPS 03 108 Una serie di strutture formate da singoli pixel i cui segnali di controllo vanno forniti direttamente dall esterno collegati all esterno con l intera catena di read out senza elettronica di indirizzamento Tre buffer con ingresso ed uscita collegati all esterno per la loro caratterizzazione Una serie di singoli transistor lineari ed enclosed gate La struttura ultradiode composta da 8000 diodi connessi in parallelo e collegati col catodo direttamente all output senza buffer analogico mentre l anodo posto direttamente a massa Tramite questa configurazione possibile effettuare misure dirette di conversione carica tensione per valutare la capacit dei dispositivi La struttura 2x11 invece formata da pixel small che sono stati opportunamente schermati I pixel sono infatti coperti dalle metallizzazioni superiori non usate per il routing Metal 3 Metal 4 Metal 5 Metal 6 Delle due colonne una completamente schermata mentre i pixel della seconda presentano un buco quadrato di lum a distanze variabili dal centro del pixel ovvero dal fotodiodo Sar cos possibile sia valutare i segnali di buio di ogni pixel sia la variazione della raccolta di carica in funzione della distanza dal centro A differ
72. e vengono impiegate per il controllo dei due tipi di matrici le 128x128 e 32x32 mentre un altra viene impiegata per gestire il flusso seriale di dati da e per i registri che controllano le temporizzazioni di reset 8bit ed integrazione 14 bit La logica genera inoltre una serie di segnali di feedback Sync o start frame alto quando si legge il pixel 0 0 della matrice End col alto quando si scandisce l ultimo pixel di una riga End row alto quando si sta scandendo l ultima riga della matrice Il Chip RAPS 03 111 La macchina a stati finiti per le matrici prevede uno stato idle in attesa di un segnale di start A seconda del segnale di start esterno che riceve segue una sequenza di funzionamento piuttosto che l altra Start automatico ciclo continuo tra reset integrazione scan matrice che termina solo in seguito ad un segnale di reset della logica o del chip La durata di ogni ciclo dipende o dal valore caricato nei registri reset integrazione o dalla dimensione della matrice 1024 per le 32x32 e 16384 cicli di clock per le 128x128 Start singolo si esegue subito uno scan della matrice seguito da una fase di reset per poi tornare allo stato idle in attesa di un nuovo segnale di start Continous Scan Reset Integrazione Reset matrice Durata Integrazione 16bit Durata Reset 8b Single Scan Attesa evento ei Reset esse evento esterno Figura 64 Schema
73. egli acceleratori di tipo circolare che sono in grado di generare fasci a maggiore energia le particelle vengono invece confinate entro un anello che percorrono pi volte a velocit crescenti Il cammino delle particelle viene tenuto circolare da campi magnetici che crescono d intensit ad ogni giro che viene effettuato dal fascio in modo che il diametro rimanga costante inoltre possibile ottenere impatti fra fasci accelerati in direzioni opposte di fatto raddoppiando l energia totale del sistema inserendo un secondo anello sotto al primo in cui le particelle vengono accelerate in direzione opposta Raggiunta una sufficiente energia i due fasci vengono poi deflessi uno contro l altro entro una camera apposta in cui sono posti tutti gli strumenti per la rivelazione di particelle di differente natura Introduzione 58 Figura 31 L acceleratore LHC del CERN di Ginevra Grazie a questa struttura sono ottenibili energie dell ordine delle centinaia di GeV fino ai 7TeV per i fasci di protoni 14TeV di energia dell impatto nei 26 6km di circonferenza del Large Hadron Collider LHC del CERN Rispetto agli acceleratori lineari i circolari permettono un pi efficiente sfruttamento della lunghezza di accelerazione in quanto il sistema di accelerazione pu essere percorso pi volte invece di una sola Tuttavia non permettono di ottenere un flusso continuo di particelle in quanto non essendo costante il campo magnetico che m
74. eliminato con opportune tecniche di correzione sia a livello hardware che software inoltre possibile introdurre un ADC direttamente on chip con il vantaggio di poter creare un intero sistema di acquisizione su un unico DIE oltre alla riduzione del rumore per la vicinanza fisica fra la sorgente di segnale analogico e il convertitore Tuttavia in tal caso una buona porzione di area del dispositivo risulta necessaria per la conversione Si pu impiegare un unico ADC per tutto il chip oppure collegare ogni colonna ad un proprio convertitore Nel secondo caso le specifiche dell ADC saranno pi rilassate dal punto di vista della velocit essendocene un maggior numero che lavora in parallelo in una matrice NxN la frequenza di lavoro ridotta di N ma potrebbe a sua volta portare ad un incremento nel valore di FPN oltre he di gain mismatch di colonna a causa della dispersione dei parametri di questi dispositivi In alcuni approcci 5 stato addirittura provato ad inserire gli ADC direttamente all interno del pixel anche se questo porta ad un evidente peggioramento del fill factor Problematiche relative al reset Il reset del chip uno dei fattori critici del pixel Poich come spiegato in precedenza il pixel non pu contenere pMOS il fotodiodo deve esser riportato in inversa collegandone il catodo ad alimentazione tramite un nMOS che si comporti da switch Questo approccio rappresenta uno dei punti deboli del pixel APS In pa
75. ema di un pixel APS 3T con strato epitassiale 2 Come si pu vedere il pixel APS contiene un semplice follower che separa il fotodiodo dall elettronica di lettura della matrice Permette un gran risparmio sul consumo in quanto ogni pixel risulta acceso solo durante la lettura cio quando il transistor C D collegato al bus di colonna messo in condizione di condurre corrente La scelta del source follower non casuale in quanto questo elemento avendo un guadagno leggermente inferiore a 1 permette di salvaguardare il dynamic range evitando di saturare il segnale gi per basse escursioni di tensione sul fotodiodo e di avere un guadagno la Introduzione 14 cui dipendenza dalle variazioni di processo gain mismatch risulti meno marcata rispetto uno stadio amplificatore a guadagno maggiore di 1 La corrente di polarizzazione del transistor in C D viene fornita da un generatore di corrente collegato al bus di colonna e comune a tutti i pixel della colonna stessa Questo approccio permette sia di tenere sotto controllo il fixed pattern noise la corrente di polarizzazione dello stadio identica per tutti i pixel nella stessa colonna sia di ridurre al minimo indispensabile i dispositivi presenti sul pixel in quanto il MOS che fa da carico del C D esterno al pixel stesso Il funzionamento base di questo sensore si articola in tre fasi Reset MI ON M3 OFF il fotodiodo viene ripolarizzato in inversa portando il catodo Vad Vin
76. ensione maggiore di quella delle diffusioni p Introduzione 32 Von p type substrate b Figura 12 Schema del pixel 4T con diodo pinned 9 Un funzionamento alternativo la possibilit di effettuare un vero CDS In questo caso il S H analogico su cui salvare il valore di reset non si trova esterno al pixel ma dentro il pixel stesso ed costituito dalle capacit parassite del gate del transistor common drain e della floating diffusion sul drain del pass transistor Aprendo il pass transistor subito dopo la fine della fase di reset sulla floating diffusion viene salvato il valore di reset Per Introduzione 33 effettuare la lettura viene prima letto il valore sulla floating diffusion valore di buio o di reset e poi viene chiuso il pass transistor in modo da trasferire sulla floating diffusion la fotocarica raccolta dal diodo e quindi tramite la differenza fra i due segnali si ottiene l escursione utile in cui i contributi di rumore di KTC e FPN risultano fortemente ridotti Infine con questi componenti possibile effettuare un global shutter vero e proprio In questo caso tutti 1 pixel vengono resettati allo stesso momento quindi inizia la fase d integrazione a pass transistor acceso Al termine di questa il pass transistor di ogni pixel viene spento salvando sulla capacit del MOS C D il valore finale del fotodiodo Viene quindi effettuata la lettura di tutta la matrice sapendo che il frame ottenuto omo
77. entre gli elettroni sono attirati dal catodo che collegato all elettronica di lettura La possibilit di leggere l informazione utile dagli elettroni altres utile perch questi hanno una mobilit molto maggiore rispetto le lacune 1450cm Vs contro 450cm Vs rendendo la rivelazione del segnale pi veloce ed efficiente Lo svantaggio nella difficolt di impiego dei pMOS all interno dl pixel la loro n well agisce come centro parassita di raccolta della carica generata dalla fotoradiazione e di conseguenza diminuiscono la QE del sensore Particle track a Particle track Li i P well MeL alate NOCI P well Sensitive EM thickness 10 um High resistivity P substrate prene ickness Low resistivity NO potential not well E gt polenta defined P substrate Potential minimo minimum Larger charge A spread Li High Res substrate 10 Q cm Epitaxial substrate Figura 1 Struttura di un sensore CMOS per MIP detection con strato epitassiale sx e senza strato epitassiale dx 4 Introduzione 10 In realta in un normale sensore CMOS la zona svuotata occupa solo parte del volume sensibile a causa dei drogaggi relativamente elevati del bulk o della zona epitassiale 10 cm e dei limiti sulle tensioni impiegabili 1 8 3 3V impossibile che la zona svuotata abbracci tutto il pixel n dal punto di vista della superficie n della profondit Di conseguenza la
78. enza delle matrici 32x32 e 128x128 questa matrice priva di logica di selezione e controllo il segnale di reset viene ricevuto dall esterno mentre il pixel sotto osservazione selezionato in base a 4 segnali digitali esterni che tramite un decoder e un MUX analogico collegano all uscita il pixel corrispondente Per la valutazione dell efficacia di differenti tipologie di pixel sono state inserite varie strutture sia come pixel singoli che come matrici 3x3 ma con un uscita analogica per ogni pixel Queste vengono controllate come la 2x11 provvedendo gli adeguati segnali di controllo dall esterno Sono presenti le seguenti strutture alternative alla 3T impiegata nelle matrici principali Enclosed gate Pixel 4T Il Chip RAPS 03 109 I pixel 4T sono pixel in grado di salvare al proprio interno anche il valore alla fine della fase di reset per facilitare il CDS Correlate Double Sampling o implementare un vero global shutter Sono stati realizzati in tecnologia CMOS standard senza l impiego di tecniche ad hoc che facciano uso per esempio diodi pinned In questo tipo di pixel lo scopo principale il salvataggio del valore di reset sul pixel in modo da leggere in due cicli consecutivi di clock sia il valore di reset che il valore di luce corrispondente e poter cos effettuare il correlate double sampling In questi pixel la carica raccolta dal fotodiodo non raggiunge il pass transistor e attraverso questo il MOS c
79. enza di operazioni successive per esempio la cancellazione dell offset o l uso di ADC pipelined Row ee Select ____ Logic gt 77 cazzi Pixel Array Timi a Analog Signal ae Es ire Processors and tr Di E per Control g T Column Parallel A ibs 83 8 i Analog to Digital scena Converters Digital Column Select Output Figura 4 Esempio di sensore CMOS completo di elettronica ancillare 2 Per quel che riguarda la scelta sul funzionamento della matrice sono possibili alcuni di gradi di libert La politica di generazione dei segnali di reset lettura in particolare rappresenta l equivalente dell otturatore nella fotografia analogica Per acquisire un immagine sia questa nel visibile o una radiografia nella rivelazione di particelle come si vedr gli obiettivi sono leggermente diversi necessario che tutti i singoli punti che la compongono siano illuminati a partire dallo stesso istante e per lo stesso periodo di tempo Nella fotografia analogica il funzionamento si basa sulla reazione fra la luce e una pellicola ricoperta di una sostanza fotosensibile e per controllare l istante di inizio e la durata dell illuminazione si applica di fronte alla pellicola uno schermo che viene aperto e richiuso in base alla Introduzione 16 temporizzazione voluta Per l imaging digitale invece la situazione differente la sensibilit alla luce di differenti aree di un sensore pu esser decisa dall elet
80. er analogico amplificatore operazionale in configurazione a guadagno unitario stato effettuato un lavoro preliminare di caratterizzazione utilizzando una serie di strutture di test apposite Il buffer analogico stato caratterizzato impiegando una struttura apposita formata da tre di questi dispositivi che condividono l ingresso il piedino analogico BUFFER_IN e le cui uscite sono tre piedini analogici OUT_0_BUFFER OUT_1_ BUFFER OUT_2 BUFFER Per queste strutture stata fornita una serie di tensioni analogiche DC in ingresso ed stata osservata la tensione in uscita in modo da creare una caratteristica di trasferimento Le prove hanno mostrato una buona linearit con un guadagno pari a 1 02 nella zona lineare della caratteristica di trasferimento 5006 04 100E 00 1 50E 00 Xin Figura 73 Caratteristica ingresso uscita del buffer Pi complesse le prove sul Source Follower Pur non essendo presente sul chip una struttura di test ad hoc per caratterizzare questo circuito stato comunque possibile effettuare una caratterizzazione impiegando la struttura Ultrapixel Questa formata dalla struttura Ultradiode a cui collegato un pixel 3T simile a quello presente sulle matrici principali Poich la struttura Il Chip RAPS 03 129 Ultradiode collegata direttamente ad un ingresso analogico oltre che all ingresso del source follower possibile variando questa tensione e osservando l uscita di Ultrapixel
81. er le alimentazioni I due piani sono collegati tramite un induttore che si comporta da cortocircuito per la continua ma che blocca il passaggio di perturbazioni ad alta frequenza fra un piano e l altro Sono inoltre previste capacit di bypass fra i piani di massa e di alimentazione per filtrare 1 disturbi AC Il Chip RAPS 03 115 Figura 65 La scheda sviluppata per il test del sensore RAPS 03 CK_RAPS CK_ADC 32x32 CK_ADC_ESA Uscite analogiche Lemo To FPGA Lemo AD 8138 AD 9238 OLLO 00000000000 ee ee AREERLRE GUGGRERE BIBEDIAE MININ COOOCOCLI DAY yeya LNO NI an Nn SI fa nw LT 1764 BUFFER AD 7274 POWER AREA Matrice 3x3 Ingressi digitali Out Matrice Connettore Alimentazione 5 Figura 66 Componenti della scheda La scheda viene alimentata tramite un alimentazione differenziale a SV A bordo della scheda oltre alle alimentazioni del chip sotto test sono generate anche le tensioni di polarizzazione del RAPS e di riferimento degli ADC Sulla scheda sono montati due convertitori analogico digitali Il Chip RAPS 03 116 AD9238 un ADC flash pipelined con uscita a 12bit paralleli 2 canali d ingresso e di uscita massima frequenza di campionamento di 65MHz pensato per le matrici 128x128 AD7274 un ADC ad approssimazioni suc
82. ezione di un DEPFET 24 Introduzione 68 potential minimum for electrons Figura 39 Profilo del potenziale nel bulk di un DEPFET 24 Le idee alla base di questo dispositivo sono le seguenti Totale svuotamento del sustrato di tipo n applicando la tensione inversa a diffusioni di tipo p poste sia sotto che sopra il sensore in questo modo viene a crearsi una zona di minimo di potenziale all interno dell area di raccolta nella posizione voluta permettendo di confinare la carica in quel punto e di avere una raccolta di carica molto veloce Lettura non distruttiva la carica viene raccolta all interno di una diffusione n sepolta sotto al canale fra drain e source che si comporta da gate interno modulando la Ips e la Vg del DEPFET che danno informazioni circa la quantita di carica raccolta e che possono essere lette in ogni momento Controllo del segnale grazie alla possibilita di modulare il canale fornendo un appropriata tensione sul gate esterno del DEPFET Questo dispositivo richiede inoltre che periodicamente venga dato un impulso di clear attivando un secondo MOS che svuota la diffusione sepolta dalla carica i vantaggi di questo approccio oltre alle caratteristiche gi citate sono un basso rumore 2 2e per un fotone a 6keV 24 e la possibilit di raccogliere carica a transistor spento con consumi di potenza inferiori Gli svantaggi sono la richiesta di tensioni comunque alte e non Introduzione 69 sta
83. gainst Latch up in CMOS Analog Switches Analog Dialogue 35 05 2001 22 E Gatti P Rehak Review of Semiconductor Drift Detectors Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 541 2005 47 60 23 M Artuso Silicon Sensors Implemented on p type Substrates for High Radiation Resistance Application Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 582 2007 835 838 24 N Wermes L Andricek P Fischer K Heinzinger S Herrmann M Karagounis R Kohrs H Kriiger G Lutz P Lechner I Peric M Porro R H Richter G Schaller M Schnecke Radau F Schopper Bibliografia 154 25 26 27 28 29 3 3 3 3 3 36 A UN id Le kl d Lel al bel Nn H Soltau L Striider M Trimpl J Ulrici J Treis New Results on DEPFET Pixel Detectors for Radiation Imaging and High Energy Particle Detection IEEE Transactions on Nuclear Ssceince Vil 51 No 3 Jun 2004 1121 1128 Yu Gornushkin M Deveaux A Gay A Himmi Ch Hu I Valin M Winter C Colledani G Claus G Deptuch W Dulinski Tracking Performance and Radiation Tolerance of Monolithic Active Pixel Sensors Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 513 2003 291 295 G Gaycken A Besson A Gay Yu Gornushkin D Grandjean F Guilloux S Heini A Himmi Ch Hu K Jaaskelainen M Pellicioli I Valin M Winter G Claus C Colledani G Deptuch W Dulinski M Szelezniak
84. geneo sia come tempo di esposizione che come istante di inizio esposizione Spesso il pixel 4T prevede l impiego di un photogate 11 come elemento sensibile al posto del fotodiodo realizzando un funzionamento simile al CCD Si tratta di inserire un ulteriore transistor nMOS al posto del fotodiodo che viene tenuto a tensioni maggiori di Vin durante la fase di integrazione In questo modo si facilita la formazione del canale n a cui si aggiungono le cariche negative fotogenerate dalla radiazione incidente In lettura il gate viene riportato a 0 mentre il pass transistor viene attivato in modo che il canale venga chiuso e tutte le cariche negative vengano attratte dal nodo a tensione maggiore cio la diffusione n di lettura In questo modo il trasferimento della carica fotogenerata al nodo di lettura a bassa capacit pi efficace migliorando la conversione carica tensione del pixel Il prezzo da pagare in questo caso la presenza di un gate di polisilicio sopra all area sensibile del pixel che pu penalizzare l efficienza di rivelazione di alcuni tipi di radiazione soprattutto nel visibile Introduzione 34 3 Reset C Vdd Transfer Row L gt Photogate gate select 5 O Undiff O p epi p substrate Figura 13 Pixel 4T con photogate 11 Come detto in precedenza la presenza di pMOS all interno del pixel sconsigliabile per non penalizzare la raccolta di carica da parte del fotodi
85. ghe invece dei 1024 valori dei singoli pixel con un evidente guadagno dal punto di vista della mole di dati da gestire e del frame rate RAPS 01 I pixel sviluppati per il RAPS 01 sono i pixel di tipo GIP1 GIPO GOPI e GOPO arrangiati in matrici 8x8 e 32x32 si tratta in tutti i casi di pixel 3T standard differenti per topologia e per la presenza o meno di guard ring e p block stato inoltre inserita una matrice di tipo WIPS weak inversion pixel sensor cul Mean 1 518 5 RMS 0 04348 Underflow 0 Overflow 0 ES of Entries w TRANNE ARONA PUL pre ep AREA Integral 32 72 I ndf 4 812 7 Constant 4 016 1 008 Mean 1 513 0 013 Sigma 0 05285 0 01333 KN beta L T A ee TE Voltage V Figura 47 Distribuzione dei valori di uscita di una matrice 8x8 APS buia Ogni pixel valutato 75us dopo la fine della fase di reset Il progetto RAPS 82 Pixel 02 Voltage V Start scan 100 50 0 50 100 150 200 Time usec Figura 48 Uscita di una matrice APS in condizioni di buio Si nota la variazione dovuta al FPN Ogni colonna possiede una propria elettronica di lettura che prevede i seguenti componenti Polarizzatore del Source follower del pixel uno specchio di corrente in cui la tensione del pMOS configurabile Amplificatore differenziale uno stadio differenziale per la prima amplificazione del segnale in uscita dalla
86. gistri a scorrimento da 22 bit per la scrittura e la lettura seriale dei dati Ponendo alto un segnale di data_valid e fornendo un clock per i registri diverso dal clock del resto del circuito il registro a scorrimento di ingresso abilitato e riceve ad ogni clock il segnale presente all ingresso digitale data_in_reg Per leggere 1 dati all interno del registro necessario per aver conferma dei valori caricati bisogna prima fornire un fronte di salita ad un segnale apposito che carica il registro di lettura coi dati del registro di scrittura quindi fornire il clock dei registri In questo modo il registro di lettura che sempre abilitato fornisce serialmente i dati in uscita senza comunque influenzare l altro registro su cui non sono eseguite operazioni inoltre possibile mediante i segnali default e res_asin_reg caricare immediatamente e in maniera asincrona i registri unicamente o con una stringa di 1 o di 0 Test Per testare il comportamento del chip stato progettato un setup che permettesse di effettuare le prove desiderate con la massima semplicit e Il Chip RAPS 03 113 flessibilit stato di conseguenza scelto un approccio che riduca al minimo i componenti necessari per il test consentendo inoltre un controllo ottimale e pienamente configurabile sul sensore e sul flusso dei dati Il sistema progettato si basa pertanto sui seguenti componenti Scheda ad hoc per alloggiamento del sens
87. he possono essere o smussati o a 90 risulta incerto Inoltre va considerata la presenza di una linguetta di polisilicio che esce dall anello per collegare il gate con l esterno Ci rende non banale la progettazione di questi Il Chip RAPS 03 110 dispositivi per cui risulta difficile passare dal layout al modello matematico o viceversa Per estrapolare la dipendenza del fattore di forma dalla geometria del MOS si sono di conseguenza implementati dispositivi variabili sia come dimensioni dell anello che tender ad influenzare il parametro W sia lo spessore corrispondente al parametro L pi una serie di MOS lineari che in base ai calcoli del modello di Giraldo 27 corrispondano agli enclosed inseriti Logica del chip La logica di controllo delle matrici come detto pensata in base alle seguenti linee guida Funzionamento ad alta frequenza Flessibilit nella scelta delle temporizzazioni Generazione di segnali di feedback per sincronizzare il sistema di lettura esterno col flusso di dati proveniente dal chip Possibilit di lettura continua della matrice o in seguito ad evento esterno Il flusso di progettazione stato effettuato mediante il tool Synopsys di Cadence Si partiti da una descrizione VHDL della logica Questa si basa sull impiego di pi macchine a stati finiti principali per controllare tutte le operazioni che la logica pu eseguire In particolare due macchine a stati finiti distint
88. i a 5 6keV e tubi a raggi X abbinati a un monocromatore a 8keV con 16 e 32keV di emissione secondaria Effettuando un fit fra le escursioni osservate nei pixel colpiti in funzione dell energia dei fotoni incidenti si potuto ottenere un rapporto di conversione fra l energia del fotone e l escursione del segnale pari a 128eV mV Considerando inoltre che un raggio X tende ad interagire con il silicio in maniera puntuale rilasciando tutta la propria energia in un punto d interazione e che l energia di band gap necessaria cio a creare una coppia e h del silicio pari a 3 6eV si trova un rapporto di conversione che per il G1PO pari a 36e eV in linea con la letteratura Sostanze radioattive Le prove con sostanze radioattive si effettuano similmente a quanto precedentemente descritto essendo la MIP detection fondamentalmente un applicazione di photon counting Nell istogramma delle visite creato Il progetto RAPS 95 con la somma del segnale di tutti i pixel del cluster sara possibile riconoscere un picco in corrispondenza del buio con una larghezza dovuta al rumore e uno o pi picchi a valori inferiori dovuti al passaggio di particelle La posizione di questi picchi in particolare la distanza dal picco di buio permette una stima della variazione di tensione indotta da una particella Conoscendo il guadagno della catena di lettura e la capacit del fotodiodo di conseguenza possibile stimare la quantit di caric
89. i compiere autonomamente tutte le operazioni necessarie al corretto funzionamento lettura e reset Il segnale di impatto generato tramite una circuiteria di rivelazione del passaggio di corrente su ogni colonna e riga permette inoltre di discriminare tra pi livelli di corrente a seconda dell entit della perdita di tensione sul fotodiodo effettuando un campionamento ADC a 1 Sbit La tensione di polarizzazione del source follower e la tensione del MOS di polarizzazione dell inverter sono selezionabili tramite gli stessi registri dei transistor 3T Setup sperimentale stato creato presso l Universit di Parma un set up sperimentale che consentisse il test del sensore da un punto di vista elettrico Questo prevede la creazione di un banco flessibile comprendente Una board FPGA esterna per la generazione dei segnali di comando del RAPS 02 e per la successiva acquisizione e invio al PC dei dati Una scheda di sbroglio dei cavi del RAPS 02 che porti i segnali di maggior interesse ad un unico connettore Una scheda di supporto che colleghi la scheda di sbroglio del RAPS alla FPGA e che contenga anche l elettronica di supporto generazione tensioni di alimentazione di riferimento e ADC Il progetto RAPS 88 Scheda di Sbroglio TUE Alimentazioni 1 8 CADE e 3 3 Figura 52 Il setup sperimentale realizzato per il RAPS 02 Come si pu vedere dalla figura il sistema molto semplice la scheda ausiliaria impiega
90. i parametri mentre il contributo stimato del FPN di colonna circa uguale per ambedue le matrici come logico aspettarsi Il Chip RAPS 03 137 Pedestal for srnall pixel matrix Tint 36ms Pedestal for a Large pixel matrix Tint 36ms Columns Rows Columns Figura 81 Immagine dei piedistalli Tint 36ms per matrice a pixel small sx e pixel Large dx Il rumore stato anche stimato modificando le condizioni di funzionamento del sensore in particolare cambiando il tempo d integrazione Se dal punto di vista del rumore istantaneo non stata fondamentalmente vista una dipendenza dal tempo d integrazione apprezzabile il FPN ha invece dimostrato una certa dipendenza In particolare stato misurato un aumento del FPN misurato in funzione del tempo d integrazione evidentemente dovuto al contributo del FPN nella corrente di leakage che viene amplificato da maggiori tempi d integrazione e tende a diventare dominante rispetto al FPN indotto dalla dispersione delle tensioni di soglia e dei parametri del SF Calcolo del Dynamic Range Un altro parametro importante nella valutazione del sensore il dynamic range che questo riesce ad ottenere Come si visto la scelta della tensione di polarizzazione del SF non cambia il guadagno della catena di lettura ma ne modifica l escursione di segnale ottenibile Di conseguenza il Dynamic Range ottenibile espresso come Sag DR 20log TT Il Chip RAPS 03 138 Do
91. i reset M1 al termine della lettura riporta in inversa il fotodiodo il vantaggio di averlo sul pixel risiede nel fatto che rende possibile resettare il pixel senza che quest ultimo sia selezionato aumentando di fatto la velocit di acquisizione dei frame Transistor in modalit common drain M2 direttamente collegato al fotodiodo rappresenta un stadio non di amplificazione il common drain ha guadagno circa pari a 1 bens di disaccoppiamento del fotodiodo dal bus di lettura In questo modo possibile caricare il bus di lettura pi velocemente essendo un elemento attivo e aumentare l escursione di segnale al fotodiodo che in questa configurazione collegato unicamente alla capacit di gate del transistor di molto inferiore rispetto quella di bus Il generatore di Introduzione 13 corrente che polarizza questo stadio posto alla base del bus comune a tutti 1 pixel della colonna invece che sul pixel In questo modo viene minimizzato il fixed pattern noise fra pixel dovuto alla corrente di polarizzazione dell amplificatore migliora il fill factor del dispositivo e viene ridotto il consumo di corrente in quanto in ogni colonna c un solo pixel il cui amplificatore si trova in funzione in un dato istante Transistor di selezione M3 collega il source del C D al bus permettendo la lettura del valore Source follower buffering of E collected charge COLUMN LINE Elementary cell Figura 3 Sch
92. ica raccolta Introduzione 46 Anche la corrente di perdita del fotodiodo tende a peggiorare con l irradiazione per effetto sia del displacement damage con forte dipendenza dal tipo di irraggiamento soprattutto neutroni lenti che della radiazione ionizzante Un ulteriore problema nel caso di irraggiamento da ioni la tendenza a modificare i profili di drogaggio del sustrato spesso fino al punto di causare un inversione zone drogate p si comportano come drogate n e viceversa La relazione trovata negli esperimenti di fisica che mostra la variazione del drogaggio rispetto la fluenza 23 Nig N y Oe po Con B e c parametri empirici dipendenti dal tipo di irraggiamento Questa formula mostra come dopo un certo livello di irraggiamento il sustrato si comporti come se avesse un drogaggio diverso comunque possibile riportare il sensore ad un funzionamento accettabile mediante annealing Infatti tenendo il sensore alle adeguate condizioni di temperatura e per un certo tempo i profili di drogaggio e i danni reticolari tendono a ridistribuirsi seguendo la configurazione originale permettendo un parziale recupero delle prestazioni Allo stesso modo l annealing termico pu facilitare la ricombinazione delle cariche intrappolate nell ossido Lo scaling ha altres un effetto positivo dal punto di vista del danno da radiazione in quanto nelle tecnologie sub micrometriche gli ossidi risultano pi sottili 2nm riducendo il r
93. iene eliminato inserendo circuiti di DS negli amplificatori di colonna la cui risposta risulta cos pi omogenea fra dispositivi differenti Un alternativa inserire alla base della colonna un pixel cieco per cui il segnale viene dalla differenza fra il pixel cieco e il pixel illuminato ma anche questo approccio non perfetto per lo scopo in quanto elimina solo il FPN di colonna Per eliminare il FPN dai pixel invece esiste la possibilit di leggere due valori tenendo lo stesso pixel abilitato per pi di un ciclo di clock In questo modo si legge prima il valore di fine integrazione poi viene effettuato il reset del pixel e se ne legge il valore di reset quindi si ripete l operazione per il pixel successivo Il circuito di colonna che deve acquisire il valore salva la prima tensione misurata su un Sample Hold analogico quindi la sottrae dalla seconda tensione per ottenere il valore libero dall offset causato dal FPN Questo approccio riduce ovviamente il frame rate poich ogni pixel deve restare abilitato pi a lungo aumentando la quantit di tempo necessaria per leggere la matrice Inoltre poich un simile approccio sarebbe possibile solo in caso di rolling shutter l incremento del tempo di lettura di un pixel read out reset aumenta anche la disuniformit fra le righe dell immagine Un approccio alternativo sarebbe alternare fasi di lettura e calibrazione del sensore ed effettuare la sottrazione a valle del AD
94. ilit e senza minarne la resistenza meccanica che permetterebbe una struttura molto pi leggera Alla luce di questi fattori si presa in considerazione la possibilit di impiegare la tecnologia CMOS per la realizzazione di questi dispositivi Questa infatti resistente alle radiazioni in quanto gli ossidi di gate sono pi sottili rispetto alle tecnologie rivali come il CCD e di conseguenza tendono a ionizzarsi meno all aumentare della dose di radiazione Inoltre trattandosi di una tecnologia commerciale l economia di scala implica che sia disponibile a prezzi economici e che i dispositivi siano in costante Introduzione 70 sviluppo sia dal punto di vista dell occupazione di area che delle prestazioni Questo fa si che l impiego della tecnologia CMOS migliori la risoluzione spaziale e le prestazioni in velocit del sensore consentendo una migliore aderenza alle specifiche I consumi risultano fortemente ridotti in quanto ogni pixel acceso unicamente durante la fase di lettura mentre la possibilit di integrare elettronica digitale ed analogica sullo stesso chip permette di avere del signal processing on chip senza l aggiunta di componenti esterne Inoltre i sensori di tipo CMOS hanno il vantaggio di poter essere assottigliati senza perdere in funzionalit Questo permette di contenere il peso del sensore che negli esperimenti di fisica delle alte energie pu rivelarsi un fattore assolutamente non trascurabile Gli sv
95. imeter Transverse slice through CMS Figura 32 Disposizione dei rivelatori nell esperimento Compact Muon Solenoid dell LHC In un esperimento di fisica delle alte energie come per esempio il CMS presso l LHC sono presenti una serie di strati I vertex detectors formati da pi strati di sensori pixellati o a striscia in silicio con il compito di registrare i punti di passaggio delle particelle In questo modo possibile ricostruire la traiettoria Introduzione 60 delle particelle da cui conoscendo il campo magnetico presente nel mezzo possibile risalire a carica e energia Icalorimetri tarati per misurare l energia di differenti particelle o Calorimetro elettromagnetico misura l energia di fotoni ed elettroni o Calorimetro adronico misura l energia degli adroni protoni neutroni pioni Il solenoide superconduttivo impiegato per generare il forte campo magnetico interno Lo strato per la rivelazione dei muoni o Rivelazione della traiettoria o Generazione dell evento di trigger Per ognuno di questi elementi sono possibili scelte tecnologiche differenti Questi vengono arrangiati in anelli concentrici del diametro di 10 20m che vengono quindi posti affiancati per tutta la lunghezza della camera di collisione Vertex detector Negli esperimenti di fisica delle alte energie mediante acceleratori di particelle uno dei componenti basilari come si visto risulta essere il ve
96. imile approccio richiederebbe l impiego di una tensione sul drain del transistor di reset pari a Va Va V overdrive AV essendo Voverdrive tipicamente gt 100mV la tensione necessaria a garantire che il MOS di reset lavori in zona lineare compensando eventuali variazioni nella tensione di soglia e minimizzando la resistenza di canale Ne consegue una minore tensione sul fotodiodo alla fine del reset e il conseguente peggioramento dello swing massimo di segnale ottenibile Altre componenti di rumore I contributi di rumore nella lettura dei valori provenienti dalla matrice sono di differente natura Oltre al gi citato rumore KTC ci sono i rumori termici dei canali dei transistor il rumore 1 f pink noise riconducibile al gate del MOS Common Drain il rumore di tipo shot dovuto alla corrente di perdita del fotodiodo 7 e il fixed pattern noise FPN Un rumore che si manifesta durante la fase d integrazione e che riconducibile alla corrente di buio sul fotodiodo lo shot noise Questo un rumore che si verifica nei rivelatori ad alta sensibilit ogni volta che i portatori di segnale in questo caso gli elettroni sono visibili come una grandezza granulare e non continua In questo caso la differente distribuzione statistica di piccole quantit pu portare comunque a Introduzione 23 variazioni rilevanti del segnale di uscita La distribuzione statistica dei portatori di carica in movimento data dalla distribuzion
97. in letture successive Mentre il fixed pattern noise un rumore poco problematico pu essere eliminato facilmente mediante double sampling a livello software il rumore termico risulta essere pi pericoloso in quanto un elevato valore pu diminuire la sensibilit del sensore ad un evento che Il Chip RAPS 03 134 generi piccole escursioni di segnale come potrebbe essere il passaggio di una MIP Per il calcolo di questi fattori il primo passo la creazione di un piedistallo Sono stati dunque acquisiti 300 campioni di una matrice non illuminata dark frame Per ogni pixel stata quindi effettuata la media sui campioni letti creando una nuova matrice delle medie Poich le condizioni di illuminazione sono uniformi nessuna illuminazione e il rumore termico a media nulla la matrice cos creata composta dai valori di buio dei pixel depurati dal contributo dei rumori istantanei ed detta piedistallo Il FPN della matrice di conseguenza definito come la deviazione standard dei valori dei pixel del piedistallo in quanto questa da attribuirsi unicamente alle differenze tempo invarianti fra 1 pixel Per il calcolo del rumore termico invece si ricalcola il valore di ogni pixel di ogni frame come la differenza fra il valore letto del pixel e il corrispondente pixel del piedistallo ottenendo cos 300 matrici di valori relativi Poich adesso il valore di ogni pixel dipende unicamente dal rumore istantaneo e non piu da
98. interno del pixel colpito la maggior quantit possibile di carica si tratta di strisce drogate p poste lungo il bordo del pixel e tenute a massa Di conseguenza generano lungo il perimetro del dispositivo una zona a basso potenziale che tende a formare una barriera che respinge gli elettroni almeno quelli generati pi vicino alla superficie indirizzandoli verso il centro del pixel p well blocking layer PA X GIPO p sub Figura 45 Esempio di fotodiodo senza G1P0 e con il p block G1P1 Il secondo accorgimento invece la presenza o meno di uno strato p well block Il processo UMC essendo un twin tub prevede l uso di n e p well sulla superficie per la costruzione dei dispositivi Tuttavia a livello layout viene reso possibile lasciare zone della superficie prive di well cio con il drogaggio del bulk Poich il bulk della tecnologia UMC a basso Il progetto RAPS 79 drogaggio alta resistivit una zona nativa attorno alla n well del fotodiodo permette la creazione di una zona svuotata laterale pi larga con aumento della superficie sensibile alla radiazione Infatti se in profondit la presenza o meno di uno strato di bulk in superficie non influisce eccessivamente sui profili di potenziale e sulla raccolta di carica vicino alla superficie risulterebbe difficile avere a disposizione un elevata area di raccolta Infatti senza p block la n well del fotodiodo si troverebbe a contatto diretto con le p well
99. ione 21 Ricordando inoltre che per una capacita la carica immagazzinata proporzionale alla tensione Q CV si ha l espressione del rumore in carica AQ kTC Come si pu notare questo rumore se considerato in tensione diminuisce all aumentare di C mentre vale il contrario se considerato dal punto di vista della carica Poich questo rumore si configura come un incertezza sul valore del diodo a fine della fase di reset si tratta di un valore tempovariante ma che resta costante all interno di uno stesso periodo di funzionamento reset integrazione lettura del pixel e che varia dopo ogni fase di reset Il segnale utile nei pixel CMOS standard dato dall escursione di tensione sul fotodiodo alla fine della fase d integrazione rispetto il valore iniziale di reset ma di solito possibile misurare unicamente il valore finale della tensione sul fotodiodo nell ipotesi che il valore iniziale sia sempre pari a Vaa Vm DI conseguenza ogni incertezza sul valore iniziale d integrazione si traduce direttamente in un incertezza sul valore misurato Va ricordato il rumore KTC stato una delle cause per cui il CMOS non stato impiegato sin dal principio negli imager o nei sensori di radiazione Il processo di reset avvendendo mediante nMOS prevede inoltre un certo grado di libert nella scelta della zona di funzionamento del transistor di reset Infatti se si porta la tensione di gate alla stessa tensione presente sul
100. ione fine dei valori o complicata 3 gradi di libert su cui agire non banale trovare un setup adatto Per questo stato necessario lo sviluppo di un nuovo sensore che consenta una maggior flessibilit d uso e un operazione di definizione del funzionamento pi semplice per l utente oltre alla presenza di strutture pi simili a quelle di un sensore pienamente operativo Specifiche del chip RAPS 03 Il chip RAPS 03 l ultimo sensore sviluppato nell ambito del progetto RAPS La caratteristica principale rispetto il RAPS 02 la presenza di una matrice di dimensioni maggiori vicine alle dimensioni di un chip operativo che potrebbe essere impiegata sia nella rivelazione di MIP che nella Il Chip RAPS 03 102 rivelazione di raggi X per uso medico stata cos decisa la progettazione del nuovo dispositivo secondo le seguenti linee guida Reset globale invece del rolling reset Semplificazione della circuiteria di lettura dal punto di vista dell utente Possibilit di decidere la temporizzazione del circuito durata delle fasi di reset ed integrazione per meglio adattarsi a differenti impieghi Possibilit di forzare la lettura della matrice solo in seguito ad un evento esterno invece di scandire periodicamente la matrice Funzionamento ad alte frequenze necessaria una frequenza di clock di almeno 16MHz Esplorazione di architetture alternative pixel 4T enclosed gate mediante apposite strutture di test C
101. irraggiamenti pi elevati AV v NMOS 10 10 10 DOSE Gy Bai PMOS s OFF Figura 21 Valore della tensione di soglia per MOS p e n in funzione della dose 20 Introduzione 44 L intrappolamento di cariche positive nel bulk soprattutto nelle regioni di bird s beak cio dove l ossido di isolamento si assottiglia in vicinanza del contatto di gate tende sopra a sustrati di tipo p a facilitare la creazione di canali n parassiti fra drain e source dello stesso nMOS e fra nMOS differenti Parasitic MOS gn gt si s a lt a nell lt lt sous gt A T R lt AE _ lt AL Parasitic tc Na channel rd a 4 Field oxide somme x SN aur F lt a Trapped n gt positive lt lt va Bird s charge gt si beak Figura 22 Creazione di canali parassiti fra S e D per ionizzazione dell ossido di isolamento 20 log Ip Figura 23 Variazione della corrente di drain in funzione di Vgs I transistor parassiti tratteggiati per l abbassamento della tensione di soglia si attivano a Vgs dell ordine Introduzione 45 delle tensioni di segnale linea continua modificando pesantemente la caratteristica del MOS 20 In condizioni normali per evitare questo fenomeno sufficiente con opportuno drogaggio del substrato far s che questi canali abbiano una tensione di soglia molto alta Ma la presenza di cariche positive parassite nell ossido indotte da dosi massicce di radiazione abba
102. ischio di generazione di cariche positive nell ossido di gate Infatti si sa che 20 AVor 1 tox ANor Eox Con ANor densit di cariche nell ossido a sua volta proporzionale a tox in quanto pi un ossido spesso pi facile che venga ionizzato Di conseguenza la variazione della tensione di soglia risulta ridimensionata diminuita dell ordine di tox con lo scaling Inoltre sempre a causa del ridotto spessore dell ossido pi facile che le cariche imprigionate vengano disattivate tramite annealing per effetto tunnel Infatti in questo caso le cariche intrappolate sono pi vicine al canale e di Introduzione 47 conseguenza pi facile che un elettrone superi la barriera di potenziale dell ossido neutralizzando una buca intrappolata Anche l abbassamento della tensione di soglia per il danno d interfaccia risulta fortemente ridimensionato in quanto nei processi tecnologici pi avanzati possibile creare interfacce ossido bulk di migliore qualit e di conseguenza meno suscettibili al danno da radiazione Invece i problemi relativi all ossido di isolamento che anche per le tecnologie avanzate ha spessori di 100nm lum sono pi critici con l aumento di corrente sottosoglia negli nMOS che non pu esser trascurato In questo caso si cerca di correggere il problema impiegando strutture enclosed gate in cui cio il gate ha forma di anello e circonda completamente il contatto di source o di drain in mod
103. isto che per frame rate sufficientemente basse lt 10Fps la perdita di informazione praticamente nulla Va ricordato comunque che oltre alla frame rate la latenza dipende fortemente anche dal programma di acquisizione che deve finire di processare i dati di una matrice prima di acquisire la successiva Infatti il tempo di latenza imputabile al firmware pari al tempo necessario per Il Chip RAPS 03 125 scrivere i dati dalla RAM alla FIFO dopo l acquisizione di un frame 16384 cicli di clock pi un ciclo di clock per resettare il contatore per cui con tempi d integrazione maggiori di 16386 cicli senza contare il reset ogni eventuale latenza da imputarsi alla connessione FPGA PC Questo ragionamento vale nell ipotesi che la FIFO non venga mai riempita ma se ci accadesse sarebbe comunque dovuto ai componenti a valle Il trasferimento dei dati dalla FIFO alla RAM avviene alla frequenza del cavo USB High Speed che trasferisce 2 bytes per ogni pixel per un totale di 32kB a una frequenza di circa 39MB s 480Mb s teorici ma la frequenza effettiva pi bassa si fa riferimento al manuale dell utente della Opal Kelly la lettura avviene di conseguenza in circa 800us tempo che comunque non va sommato n alla latenza dovuta alla scrittura della RAM della FPGA n a quella della RAM sulla FIFO in quanto pu avvenire in parallelo ad ambedue Va invece considerata solo nel caso che la FIFO sia ancora piena o si riempi
104. ixel letti che hanno integrato pi a lungo a parit di esposizione la fotocorrente e o la corrente di buio Ricordando inoltre gli ambiti in cui previsto il funzionamento del sensore MIP detection dopo il reset la matrice tenuta in integrazione in attesa di un evento e al verificarsi di questo viene effettuata la lettura per trovare il punto di passaggio di una o pi particelle Di conseguenza in un simile funzionamento non critica la differenza di tempo d integrazione fra il primo e l ultimo pixel letto Il problema potrebbe venire dalla perdita di eventi subito durante il readout in quanto un pixel che venisse colpito nell intervallo intercorrente fra l istante in cui letto e l istante in cui verr resettato perderebbe l informazione di questo evento Un simile fenomeno potrebbe esser problematico per i primi pixel letti ma l elevata frequenza di funzionamento prevista dovrebbe mitigare anche questo problema X ray imager la radiografia funziona sottoponendo il tessuto da esaminare ad un flash di raggi X ed effettuando una lettura del sensore Anche in questo caso essendo generalmente il flash sincronizzato con l istante di acquisizione di un frame ed essendo questo l unico evento che porti informazione prima e dopo i pixel sono sempre uniformemente bui la differente durata dei tempi d integrazione si manifesterebbe solo come lieve incremento del FPN dovuta al maggior contributo della corrent
105. ixel in pixel verso il nodo di raccolta dove viene misurata Vg lt 0 Vg lt 0 Vg gt 0 Vg lt 0 Vg lt 0 Vg gt 0 Figura 37 Schema di funzionamento e spostamento della carica per un CCD Questo approccio ha vari vantaggi dal punto di vista del rumore che risulta molto pi basso rispetto l equivalente CMOS soprattutto relativamente al rumore kTC praticamente assente e FPN e della efficienza di raccolta della carica fotogenerata Gli svantaggi sono una minore affidabilit in quanto la rottura di un pixel causa l impossibilit di leggere tutti i pixel a monte di esso e soprattutto la radiation softness in quanto i gates che compongono il CCD hanno ossidi relativamente spessi e sono di conseguenza pi suscettibili al danno da esposizione Inoltre la creazione di trappole nel canale sepolto dove la carica viene traferita degrada notevolmente la raccolta di elettroni Infine la tecnologia CCD non supporta la creazione di dispositivi elettronici al suo interno per cui tutta Introduzione 67 Velettronica di controllo e acquisizione deve essere realizzata su chip esterni rendendo estremamente complesso il sistema di acquisizione DEPFET Il DEPFET un ulteriore componente studiato per gli esperimenti di fisica delle alte energie Anche esso richiede una tecnologia ad hoc per essere creato al momento non facilmente disponibile internal gate symmetry axis 300 um n substrate I rear contact Figura 38 S
106. l affidabilit rispetto al danno da radiazione una soluzione pu essere l impiego di un maggior numero di diodi Infatti inserendo nel pixel 2 o 4 fotodiodi in parallelo invece di uno solo posti ai lati del pixel possibile diminuire lo spreading di carica fra pixel adiacenti in quanto la carica generata all interno di un pixel pi difficilmente viene raccolta in un pixel adiacente 8 Il prezzo da pagare in questo caso una maggiore capacit del nodo di raccolta della carica con un peggioramento della conversione carica tensione In caso di danno da radiazione peggiora la raccolta di carica da parte dei singolo diodi in quanto i danni al reticolo diminuiscono il tempo di vita medio della carica all interno del bulk ma lavorando questi in parallelo e diminuendo il cammino medio che una carica deve percorrere prima di raggiungere una n well riescono a raccogliere una quantit di carica superiore rispetto al caso con singolo diodo anche dopo un pesante irraggiamento Introduzione 72 vad_ diode vdd_res NEW all NMOS transistor single ended common source vil sf Figura 40 Schematico del pixel di MIMOSA 8 con self bias e accoppiamento AC all amplificatore on pixel 26 Un approccio alternativo al reset normale nella rivelazione di particelle il self bias 26 in cui il fotodiodo non viene riportato in inversa periodicamente ma tenuto costantemente polarizzato da un secondo diodo p n in diretta pi piccol
107. l FPN possibile creare un istogramma dei valori comprendendo insieme tutti 1 pixel della matrice per avere una stima globale del rumore La deviazione standard di tutti i valori cos acquisiti 300 frames x 16384 pixel definita come il rumore termico o istantaneo Il Chip RAPS 03 135 x 1ofhstant noise extimation for Large and small PD pixels Tint 36ms 2 T T T Occorrenze n T Pixel Small Dev 1 6mi Pixel Large Dev 2 9m 1 1 5 Vout Piedistallo 5 x 10 Figura 79 Rumore istantaneo per pixel Large e small Sono stati quindi fatti dei test per avere una stima dei contributi Per le prime misure stata impiegata una frequenza di clock di 7 1MHz e una tensione di polarizzazione analogica di 575mV che relativamente penalizzante dal punto di vista dell escursione ma che ha dimostrato una buona risposta ad alte frequenze Il tempo d integrazione stato di 256k cicli di clock ovvero 36 7ms mentre il periodo di reset stato settato a 256 cicli di clock pari a 36us I valori calcolati per i contributi di rumore sono i seguenti Matrice Pixel Large Pixel Small Rum Istantaneo 2 9mV 1 6mV FPN totale 19 8mV 17 5mV FPN Colonna 14 8mV 13 8mV FPN Pixel 13 2mV 10 9mV Il Chip RAPS 03 136 400 350 Large Small 350 Mean 1 060V 300 Dev 17 5m Mean 1 0921Y Dev 19 8mV
108. l danno da radiazione Lavorando infatti in ambienti fortemente esposti a radiazioni ionizzanti i sensori a semiconduttore sono soggetti sia a danneggiamenti a lungo termine sia a malfunzionamenti causati da singoli eventi Il danno da radiazione viene solitamente diviso in due categorie principali 16 Danno da esposizione dipende dalla quantit totale di particelle che hanno colpito il sensore nella sua vita e si manifesta come un lento decadimento delle prestazioni Danno da singolo evento avviene in seguito all impatto con una sola particella ionizzante che in certe condizioni critiche pu influire in modo pi o meno dannoso con il funzionamento del dispositivo Si divide a sua volta in danno distruttivo e non distruttivo Si tratta di due tipologie abbastanza differenti che vengono esaminate separatamente In generale il danno da esposizione pi pericoloso per i circuiti analogici mentre per i circuiti digitali tendono ad essere maggiormente critici i malfunzionamenti da singolo evento Danno da esposizione Un sensore sottoposto ad un flusso continuo di particelle pu subire diversi tipi di danneggiamento in funzione della dose ricevuta e del tipo di particelle incidenti Per caratterizzare l esposizione a radiazione potenzialmente dannosa si fa riferimento ai seguenti parametri Introduzione 42 Flusso indica la quantita di particelle per unit d area e di tempo Fluenza Indica la quantit di partice
109. la capacit dei fotodiodi Per il test del chip stato deciso l impiego di soluzioni flessibili che permettano un agevole modifica dei settaggi in modo da testare il sensore in condizioni di funzionamento anche fortemente differenti fra loro Questo possibile mediante l impiego di logiche programmabili FPGA e programmi per PC di acquisizione sia nella generazione dei segnali di controllo del chip e dell elettronica di scheda che nella gestione dei dati provenienti dal chip Le prime prove hanno dimostrato la piena funzionalit del sensore nonostante alcuni fattori che possono ridurne le prestazioni come il rumore istantaneo leggermente pi elevato rispetto al sensore precedente RAPS 02 nell ordine di 2 1mV per le matrici a fotodiodo small Anche le nuove caratteristiche inserite nella logica hanno dimostrato un funzionamento corretto per frequenze fino a 120MHz Verranno presto eseguiti test operativi per valutare la risposta del sensore in termini di segnale e sensibilit a vari tipi di radiazione similmente ai test descritti sul RAPS 02 Laser visibile IR UV Particelle di varia natura fotoni X particelle a eB etc In questo modo si potr ottenere anche una caratterizzazione funzionale del sensore che permetter di definire al meglio specifiche ambiti e caratteristiche dei modelli successivi Anche un impiego diretto del sensore RAPS 03 ipotizzabile per alcuni ambiti in cui sia sufficiente una matrice
110. la luce quindi farle collidere contro o un bersaglio fisso o un altro fascio di particelle che si muove in direzione opposta L alta energia sprigionata dall impatto permette il verificarsi di processi che raramente avvengono in natura con la generazione di nuove particelle Lo studio e il riconoscimento delle particelle generate consente di studiare la natura dei processi che regolano i componenti base della materia La misura della velocit raggiungibile dal fascio data dall energia del fascio in electron Volt invece che dalla velocit raggiunta dalle particelle in quanto a velocit cos vicine a quella della luce variazioni di energia anche rilevanti si traducono in incrementi minimi di velocit Introduzione 57 Le tipologie principali di acceleratore sono Lineare Circolare Nel lineare le particelle vengono accelerate in linea retta passando attraverso una serie di dischi perpendicolari al cammino che cambiano il potenziale al passaggio del fascio in modo da attirare le particelle quando queste non l hanno ancora passato e da respingerle dopo il loro passaggio Il punto d impatto solitamente costituito da uno schermo fisso In alternativa e possibile prima accelerare un fascio tenendolo confinato in un percorso circolare al termine dell acceleratore con dei magneti quindi farlo collidere con un secondo fascio accelerato nello stesso condotto lineare per ottenere una maggiore energia d interazione N
111. la zona ad alto guadagno L uscita dell inverter collegata al gate di un nMOS che collega i bus di colonna e di riga corrispondenti al pixel stesso inoltre connessa in feedback al gate del MOS di reset del fotodiodo Figura 51 Schematico del pixel SHARPS In caso di impatto di una particella l abbassamento della tensione sul catodo del fotodiodo causa un forte aumento del valore d uscita dell inverter CMOS essendo l uscita del SF in corrispondenza della zona ad alto guadagno in ingresso dell inverter che permette l accensione dell nMOS che collega i bus di riga e colonna Su questi essendo posti uno ad alimentazione e uno a massa si instaura una corrente che viene rilevata dalla circuiteria esterna alla matrice generando un evento In seguito all evento generato la logica invia all esterno un burst di dati contenente i valori di corrente letti su tutti i bus di riga e di colonna della matrice un informazione di N righe M colonne esattamente come per il WIPS La differenza che in questo caso il burst di dati viene generato in conseguenza di un evento e non in seguito ad una scansione periodica come nel WIPS Il Il progetto RAPS 87 segnale in uscita dall inverter oltre a generare l evento di lettura viene impiegato anche per il reset del sensore accendendo il MOS di reset Grazie a questo il pixel non necessita di nessun tipo di scan periodico generato dall esterno in quanto in grado d
112. lenti dal lato FPGA ma dialoganti tramite porta USB dal lato PC Le librerie fornite dal costruttore allo scopo di trasferire dati rendono disponibili le seguenti strutture tutte possono essere usate sia in invio che in ricezione Wires i cavi sono 16 linee ad 1 bit per il trasferimento asincrono dei dati Triggers si tratta di 16 segnali a 1 bit che vengono sincronizzati con il clock del ricevente per generare un singolo impulso vengono impiegati come segnali di avviso Pipes implementate per il trasferimento sincrono di grossi blocchi di dati permettono la lettura invio di 2N words da 8bit con N stabilito dall utente L invio dei segnali di controllo dal PC simile a quello descritto per la scheda precedente con la differenza che essendo possibile trasferire 16 bit tramite wire assieme ai 3 bit di codice del comando rimangono disponibili 13 bit di informazioni accessorie impiegabili per settare direttamente il valore di tempo d integrazione da caricare nei registri essendo il registro dei tempi di integrazione del RAPS di 14 bit il suo LSB in tal caso sempre a 1 La presenza di un nuovo comando segnalata dall attivazione da parte del PC di un bit di trigger Per la lettura dei dati da RAPS il VHDL prima scrive sulla RAM interna 1 dati da inviare quindi a scrittura ultimata invia serialmente all interfaccia i dati nella RAM Il Chip RAPS 03 120 Dati validi I dati validi
113. li ultimi anni in particolare hanno raccolto crescente interesse i rivelatori a stato solido che hanno ormai sostituito i precedenti rivelatori gassosi nell identificazione delle traiettorie delle particelle Il principio base di funzionamento di tutti questi dispositivi identico a quello gi descritto nel CMOS con una giunzione p n posta in inversa in cui quando una particella vi incide si ha un rilascio di carica Questi dispositivi risultano vantaggiosi per l elevata risoluzione che riescono a raggiungere oltre alla maggiore velocit di lettura che permette una pi precisa identificazione dell istante di passaggio di una particella Anche il valore letto di carica raccolta risulta molto pi preciso All interno del silicio una particella MIP minimum ionising particle tende a generare una carica molto debole e costante lungo il cammino circa 80 coppie e h per um di conseguenza la gran parte della carica risulta generata nel bulk e non in superficie come accade nel visibile Risulta perci importante essere in grado di avere un elevato rapporto segnale rumore per poter riconoscere un passaggio riducendo al minimo sia 1 falsi negativi particella non rilevata che 1 falsi positivi rilevato passaggio di una particella inesistente Introduzione 62 Microstrip Il primo e pi impiegato sensore per gli esperimenti HEP il sensore a microstriscia Questo un rivelatore 1 D in cui su un sustrato n debolmente drogato tipic
114. lle per unit d area durante tutto il tempo di funzionamento del dispositivo dato dall integrale rispetto il tempo del flusso Dose indica l energia totale ceduta dalla radiazione per unit di massa Un tipico sensore per raggi X con scintillatore per esempio riceve una dose dell ordine dei krad durante la propria vita di funzionamento mentre sensori pensati per applicazioni di fisica delle alte energie ricevono dosi ancora superiori gt 100krad 17 Il tipo di danno assume inoltre forme diverse a seconda del tipo di particelle incidenti La distinzione principale fra Radiazioni non ionizzanti neutroni causano perlopi danni al reticolo Radiazioni ionizzanti elettroni protoni raggi X e y ioni causano danni al reticolo e generano cariche negli ossidi Possono inoltre modificare i profili di drogaggio Il tipo di danno pi pericoloso deriva dalla seconda tipologia di radiazioni Quando una di queste particelle incide sull ossido di silicio lo ionizza creando delle coppie elettrone lacuna al suo interno Se l elettrone grazie alla maggiore mobilit all interno dell ossido 20cm Vs viene allontanato dalla sede dell impatto la lacuna la cui mobilit 6 ordini di grandezza inferiore 2 10 cm7 Vs resta intrappolata causando nel lungo periodo un accumulo di cariche positive nell ossido A seconda del tipo di ossido in cui avviene questo fenomeno causa due effetti differenti 18 Ossido di g
115. lo cio media per ogni pixel di una matrice su N acquisizioni al buio Acquisizione delle matrici irraggiate da MIP e calcolo per ogni pixel della sua differenza rispetto al piedistallo Ricerca del seed pixel cio del pixel che mostra la maggior escursione rispetto al proprio piedistallo e superi una certa soglia S1 stabilita in base al rumore dei pixel di quella matrice S1 M R M gt 1 Se nessun pixel supera questa soglia la matrice scartata in quanto non risulta colpita Ricerca del cluster procedimento ricorsivo entro un raggio specifico dal seed pixel ogni pixel adiacente al seed pixel o ad un pixel del cluster viene vagliato e se mostra una deviazione rispetto al piedistallo maggiore di una seconda soglia S2 R lt S2 lt S1 viene a sua volta aggiunto al cluster Valutazione del segnale questo pu essere considerato o come la variazione rispetto al piedistallo del seed pixel o come la somma delle variazioni di tutti i pixel del cluster Creazione di un grafico delle presenze ogni valore cos trovato viene inserito in un istogramma La forma dell istogramma rispecchiando la perdita di energia di una particella che attraversa uno strato di materia maggiore il valore ottenuto maggiore la carica raccolta che proporzionale all energia che la particella ha rilasciato nel silicio tende ad avere la forma di una distribuzione Landau Il valore considerato come most probable value MPV il punto di picco dell
116. ltre effettuate prove di imaging Il sensore stato sottoposto ad illuminazione ambientale ed stato quindi coperto parzialmente con piccoli pezzi di materiale come capelli o quadratini di carta Il tempo d integrazione stato settato in modo da aver il miglior contrasto fra le zone buie e illuminate e contemporaneamente da rendere trascurabile l effetto derivato dal differente tempo d integrazione tra i primi pixel letti e gli ultimi Una durata inferiore a Ims stata necessaria per evitare la saturazione delle ultime righe del sensore Il sensore ha mostrato piena funzionalit in questa modalit di funzionamento con un buon contrasto fra le zone illuminate e quelle scure e una buona risoluzione stato anche effettuato qualche tentativo di post processing per valutare il miglioramento ottenibile con tecniche di double sampling acquisendo una matrice di piedistallo come media di cento acquisizioni della matrice illuminata a luce ambientale e sottraendola all immagine ottenuta con la stessa illuminazione e l oggetto posto sopra di Il Chip RAPS 03 143 essa possibile aumentare il contrasto e stabilizzare meglio l immagine anche per tempi d integrazione di lunghezza paragonabile al tempo di lettura Figura 86 In questo caso il mismatch fra i pixel derivante dall aver integrato la luce per un tempo diverso viene trattato come un FPN e d luogo ad una migliore immagine in quanto durante i test la luminosit a
117. mage lag in quanto il valore sul catodo del fotodiodo all inizio di tale fase stato portato ad una tensione sicuramente indipendente dal valore precedente Il reset attivo 11 invece prevede la riduzione del rumore kTC impiegando una retroazione durante il reset l uscita del pixel viene collegata ad un amplificatore operazionale in modo che il pixel diventi il ramo di retroazione di un op amp in configurazione a guadagno unitario la cui uscita viene a sua volta collegata al gate del transistor di reset All ingresso di questa configurazione viene quindi mandata una rampa di tensione che sale fino al valore di reset desiderato imponendo quel valore anche sul fotodiodo per cortocircuito virtuale In questo modo vengono a formarsi due anelli di loop un amplificazione della capacit vista dal fotodiodo pari a A 1 C dove C la capacit gate source del transistor di reset e A il guadagno ad anello aperto dell operazionale la modulazione della corrente di drain del transistor di reset Introduzione 39 i Vdd i M10 Row i Select 1111 In pixel circuits i DS SS SSS SD SS SS SS a pinta Il Output Om SARE buffer Column Mux Figura 19 Schema ai piccoli segnali della struttura a reset attivo 11 dimostrabile che un simile approccio riduce sensibilmente l impatto del KTC e del FPN sul pixel in quanto riduce il rumore di canale sul transistor di reset principale responsabile del KTC con
118. mall oppure da una n well che occupa l intera area del pixel non occupata dall elettronica di reset lettura pixel large Si intende in questo modo studiare la differenza dal punto di vista della raccolta di carica fra una zona svuotata pi estesa ma anche con capacit maggiore miglior raccolta di carica ma peggior conversione di questa carica in una tensione misurabile rispetto una zona svuotata di dimensioni inferiori Delle 4 sottomatrici le 2 sottomatrici superiori sono composte di pixel di tipo large mentre le 2 sottomatrici inferiori sono composte di pixel di tipo small La politica di reset prevede la possibilit di resettare contemporaneamente tutti i pixel di una matrice mentre la lettura viene effettuata serialmente A causa di ci i pixel di uno stesso frame si trovano ad essere integrati per tempi differenti pur iniziando l integrazione al medesimo istante Questo effetto viene tuttavia reso trascurabile da un elevata frequenza di funzionamento che permette di effettuare l acquisizione di un intero frame Il Chip RAPS 03 105 in meno di Ims a fronte di tempi di integrazione previsti nell ordine delle decine di ms e che permette di conseguenza di mantenere una buona uniformit della matrice Infatti in questa differenza di tempo il leakage non dovrebbe dare effetti rilevabili e pu esser semplicemente visto come una forma di FPN che penalizza leggermente il dynamic range degli ultimi p
119. matrice Polarizzatore del Differenziale identico al polarizzatore del SF genera la corrente di polarizzazione dell amplificatore differenziale MUX analogico seleziona la colonna per la lettura Comparatore formato da 2 NOT in cascata fornisce un uscita digitale che informa se il pixel stato illuminato o meno La matrice presenta inoltre la possibilit di configurare il funzionamento dell elettronica di lettura a valle del pixel Sono infatti presenti nel chip alcuni registri digitali programmabili dall esterno collegati a dei semplici convertitori DAC Questi dispositivi generano tre tensioni di polarizzazione Il progetto RAPS 83 interne che permettono di settare guadagno e punto di lavoro del circuito di lettura E in particolare possibile selezionare La tensione di polarizzazione del pMOS che guida lo specchio di corrente del bus di colonna La tensione di riferimento dello stadio differenziale all uscita della matrice La tensione di polarizzazione del pMOS che guida lo specchio di corrente dello stadio differenziale Pixel Ampli differenziale _SOMParatore Polarizzatore Differenziale Polarizzatore Source follower ma Mux Analogico MB e Figura 49 Schematico dell elettronica di lettura delle matrici del RAPS 01 Ognuna di queste tensioni selezionabile tramite un registro a 5 bit 32 valori possibili La caratteristica del DAC che le genera fortemente non lineare
120. mbientale non stata soggetta a variazioni Il Chip RAPS 03 144 Figura 85 Prova con pezzo rettangolare di carta Tint 1 22ms Il Chip RAPS 03 145 Matrice _ giii rie rara Piedistallo I ai 2 40E 03 79 2 40E 03 220E 03 2006403 1 80E 03 160E 03 140E 03 1 20E 403 1 00E 03 a Immagine con offset p 4004024 subtraction 3 00E 02 20064024 1006402 0 00E 00 il 1 00E 02 2 00E402 c Figura 86 Matrice con capello Dalla matrice risultante viene sottratto l offset in questo caso la media di 100 matrici illuminate il capello risulta chiaramente visibile con una zona maggiormente buia nel punto del bulbo Tint 573us Conclusioni e Sviluppi Futuri 147 CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI Conclusione Il sensore RAPS 03 terzo esemplare della linea RAPS stato seguito durante l intero iter progettuale Definizione delle specifiche Progettazione Definizione e realizzazione delle strutture di test Test preliminari di caratterizzazione elettrica Scopo del lavoro la creazione e piena caratterizzazione di un sensore per radiazioni minimamente ionizzanti principalmente raggi X e particelle orientato sia a impieghi in esperimenti HEP high energy physics che per alcune applicazioni medicali e che sfrutti le caratteristiche della tecnologia CMOS come flessibilit
121. mite il transistor MRes che avvenendo sul condensatore di elevato valore C invece che sul fotodiodo permette di ottenere il valore di buio con rumore kTC trascurabile I due valori vengono quindi sottratti eliminando il FPN POPP PPP PPP FAPS Column Output Write amplifier SORE TTT TTT TTT TTT TTT TT ECT CITA CT CT TT EEE EEE HEE E Ee Figura 41 Struttura del pixel FAPS Si pu altrimenti sfruttare il fatto che in numerosi esperimenti di fisica delle alte energie la generazione di particelle non uniforme nel tempo ma concentrata in bunch ad elevata frequenza intervallati da periodi relativamente lunghi privi di eventi Questo permette di aumentare la frequenza di acquisizione del sensore In particolare durante un bunch di particelle il rivelatore deve acquisire il valore di ogni pixel a framerate elevate nell ordine delle decine di MHz per un periodo di tempo di centinaia di us quindi segue un intervallo di inattivit dell ordine delle decine di ms Proprio per questo possibile inserire una serie di celle di memoria all interno del pixel FAPS flexible acquisition pixel sensor formate da un capacitore MOS ed uno switch Queste celle sono ovviamente accessibili a frequenza pi elevata rispetto al bus di colonna dell APS Introduzione 74 standard in quanto hanno una capacit nettamente inferiore Durante il bunch di particelle i valori letti vengono salvati successivamente nelle varie
122. modifiche alla struttura del pixel APS Effetti dello scaling sui dispositivi APS Lo scaling del MOS verso dispositivi sempre pi ridotti oltre a migliorare le prestazioni sotto molti aspetti richiede tuttavia una maggiore attenzione nel design ponendo in essere nuove sfide progettuali La diminuzione della lunghezza di canale e delle dimensioni dei componenti elettronici transistor diodi permette la creazione di pixel di dimensioni sempre minori con conseguente miglioramento della risoluzione spaziale o del fill factor minore area occupata dai transistor e dalle metallizzazioni Tipicamente data una lunghezza di canale minima A il minimo pitch per un pixel funzionante di 10 20A 1 In realt la relazione fra dimensioni del pixel e minima lunghezza di canale non sono cos lineari in quanto non tutte le diffusioni e metallizzazioni riescono per vari motivi a scalare di dimensioni seguendo lo stesso trend della lunghezza di canale per cui un dimezzamento della lunghezza minima difficilmente permetterebbe di realizzare un pixel con un quarto della area Di conseguenza oltre un certo livello di integrazione tecnologica lo scaling dei pixel non risulta pi conveniente in quanto il miglioramento in risoluzione non pi sufficiente a compensare una serie di nuovi svantaggi Infatti mentre la diminuzione della tensione di alimentazione tende ad essere proporzionale allo scaling le tensioni di soglia non diminuiscono seguendo lo
123. na resistenza maggiore cio lo strato epitassiale In alternativa si pu inserire il maggior numero possibile di contatti sustrato massa e n well alimentazione per far s che le correnti parassite abbiano un cammino breve nel sustrato e di conseguenza diano origine a limitate differenze di tensione locali nailing del sustrato Un ulteriore metodo invece l inserimento di trincee di ossido LOCOS o STI fra i pMOS e gli nMOS per interrompere i bipolari parassiti 18 21 Meno gravi ma comunque dannosi sono invece gli effetti da singolo evento non distruttivi Una particella che rilasciasse carica in un dato punto del dispositivo pu come si detto alterarne temporaneamente il potenziale anche di un valore notevole Se in un circuito analogico normalmente questo effetto si traduce con un picco di tensione rumore istantaneo solitamente senza conseguenze durevoli dal punto di vista del funzionamento del dispositivo in un circuito digitale pu indurre un cambio di valore logico Introduzione 50 T al posto di 0 in una diffusione p raccolta di lacune Qal posto di l in una diffusione n raccolta di elettroni rendendo inaffidabili i risultati osservati In particolare sono possibili SET Single event transient in una rete combinatoria causa un picco di tensione spurio che pu esser campionato dal latch a valle causando errore L occorrenza di questo tipo di errore aumenta di conseguenza con la f
124. nato in precedenza il FPN di colonna risultato la forma di rumore dominante spaziando tra gli 11 18mV contro i 2 4mV del FPN di pixel che stato stimato invece come deviazione standard media dei pixel su una stessa colonna Pixel GIP1 G1PO G1POL Instant noise mV 0 97 1 3 1 25 FPN mV 1 95 4 7 4 5 Column FPN mV 9 6 17 7 16 9 Pi contenuto stato invece stimato il valore del rumore istantaneo nell ordine di 1 1 5mV a seconda della matrice Il progetto RAPS 90 Piedistallo di una matrice G1P1 media di 200 acquisizioni B 1 450000E 00 1 475000E 00 m 1 425000E 00 1 450000E 00 m 1 400000E 00 1 425000E 00 o 1 375000E 00 1 400000E 00 1 475000E 00 1 450000E 00 1 425000E 00 v 1 400000E 00 i see uU S28 A _ 4 375000E 00 S193 A S10 amp st ut i RIVE co o 2 N amp a A Figura 53 Piedistallo di una matrice G1P1 evidente il FPN di colonna Per correggere il FPN sono state provate delle soluzioni di correzione via software come il DS acquisendo prima un piedistallo cento frames bui questo stato poi sottratto all immagine ottenuta permettendo una buona riduzione del FPN dell ordine del 35 soprattutto quello di colonna Per esempio in una matrice G1P1 illuminata luce ambientale pixel saturati il FPN totale sceso da 14 4mV a 9 2mV mentre il FPN di colonna stato ridotto del 50 passando da 1
125. nda componente del campo elettrico longitudinale che fa s che gli elettroni raccolti al centro tendano a muoversi perpendicolari alla strip verso un elettrodo di raccolta In questo modo inoltre si evita l accumulo di carica nel bulk che potrebbe deformare il campo elettrico al suo interno Questo sensore permette di ricostruire con Introduzione 64 buona approssimazione fino a 2um in teoria la distanza rispetto l elettrodo dell impatto misurando l intervallo di tempo che intercorre fra l istante di passaggio della particella e l istante in cui la carica viene raccolta dall elettrodo L istante di passaggio della particella deve perci esser fornito da un calorimetro esterno al sensore e con buona precisione temporale per avere una misura affidabile inoltre possibile risalire alla seconda coordinata spaziale raccogliendo la carica al termine delle strip con pi elettrodi drogati n Figura 36 In questo caso si osserva la carica raccolta dagli elettrodi adiacenti a quello che ha mostrato la maggior raccolta e se ne calcola con opportune funzioni di peso il centro di gravit 0 3 mm _ Drift of charged carriers in silicon nizing Drift lt 40mm Figura 35 SDD per radiografia gli anelli concentrici di drogaggio p creano un campo elettrico che porta verso il centro tutta la carica generata Usato per la spettrografia X dove non interessano le coordinate del punto d impatto 22 Introduzione 65
126. ndard 6 7V per il sustrato 14V per l impulso di clear la necessit di un chip esterno per la lettura e la lettura di tipo sequenziale che limita la velocita di acquisizione dei dati Problematiche per un vertex detector CMOS I problemi che un simile dispositivo deve affrontare sono pero molteplici Negli acceleratori di nuova concezione infatti l aumento dell energia dei fasci che interagiscono comporta anche un aumento della dose totale a cui vengono sottoposti i sensori per cui necessario un approccio che sia in grado di resistere ai danni da radiazione derivanti da esposizione Inoltre in questi esperimenti l area attraverso la quale si deve monitorare il passaggio risulta molto estesa nell ordine delle decine di m7 risulta pertanto necessario gestire una gran mole di dati soprattutto considerando che il passaggio della particella deve esser individuato con la massima precisione possibile sotto i 10 um Di conseguenza possono risultare utili sensori con vari gradi di signal processing interno che possono spaziare dal comprimere i dati in uscita fino al riconoscere autonomamente la presenza o meno di un punto colpito e di fornire al sistema unicamente i valori dei pixel colpiti e dei vicini Inoltre la grande area richiede che il costo per unit di superficie del sensore sia contenuto cos come il suo consumo di potenza Un secondo fattore di interesse la possibilit di assottigliare il sensore senza perdere sensib
127. o collegato al suo anodo Questo diodo conduce una debole corrente che in condizioni stazionarie eguaglia la corrente di perdita del fotodiodo evitando la costante diminuzione di tensione riconducibile alle correnti di buio In questo modo possibile amplificare il valore del diodo cosa non possibile con l approccio classico in cui la diminuzione di tensione dovuta al leakage modificherebbe il punto di lavoro dell amplificatore Di conseguenza il segnale derivante da un impatto di particella verrebbe amplificato con guadagno differente a seconda della distanza temporale dell istante di impatto stesso rispetto il reset Inoltre per avere maggiore amplificazione possibile l accoppiamento AC del diodo all elettronica di amplificazione in modo da settare il punto di lavoro dell amplificatore indipendentemente dal valore di riposo del fotodiodo Il reset in caso di impatto viene effettuato dal diodo di polarizzazione stesso che riporterebbe in equilibrio il sistema in un periodo di tempo di circa una decina di us In questo modo equipaggiando il pixel con un adeguata circuiteria di riconoscimento dell impatto in grado di salvare il valore amplificato letto prima che il diodo torni in equilibrio possibile creare un sistema in grado di riconoscere facilmente un evento di impatto da particella Introduzione 73 Ad ogni lettura inoltre eliminato il FPN Infatti dopo aver letto il valore di luce viene effettuato un reset tra
128. o questa raggiunge il FD per diffusione termica processo che risulta lento e poco efficiente 9 V Introduzione 20 Vreset WW Figura 7 Schema per lo studio del rumore kTC Riconducibile alla fase di reset il rumore di tipo kTC che risulta il massimo contributo di rumore che affligge i pixel APS Questo un rumore termico tipico della carica di un transistor attraverso uno switch e pu esser visto sia come un rumore in carica potenza di rumore pari a KTC sia come un rumore in tensione potenza pari a KT C Bassi valori di capacit di conseguenza aumentano questo rumore ma aumentano al contempo la sensibilit del sensore e viceversa Caricando una capacit tramite una resistenza ad ogni istante si ha un incertezza sulla quantit di carica presente su tale capacit e si tratta di un rumore a potenza AV 4KTR che viene filtrato tramite una rete RC la cui banda 1 4RC mostrando cos una potenza di rumore pari a EE C indipendente dal valore della resistenza ma funzione della sola capacit Poich lo switch considerabile come una resistenza di valore trascurabile quando acceso e come una resistenza infinita quando spento questo rumore visibile come rumore bianco banda infinita durante la carica della capacit e come offset banda pari a 0 ovvero stato ibernato il valore all istante di chiusura dello switch quando l interruttore viene spento AV Introduz
129. o che non possano formarsi canali di bypass fra S e D I canali parassiti fra due MOS differenti possono invece essere evitati mediante l inserimento di anelli di guardia attorno ad ogni MOS Questi anelli formati da zone drogate p tenute a massa impediscono la formazione di un canale n al prezzo di una maggior occupazione di area SOURCE Figura 25 Transistor enclosed gate a e transistor lineare b Introduzione 48 Danno da singolo evento I danni da radiazione legati ad un singolo evento si suddividono invece in due categorie distruttivi e non distruttivi In ambo i casi il meccanismo dell evento da ricollegare al rilascio di grandi quantit di carica nel sustrato da parte di una particella fortemente ionizzante Questo fenomeno particolarmente critico nelle applicazioni spaziali l atmosfera terrestre blocca la maggior parte di queste particelle che sono invece comuni nello spazio profondo e in quelle di fisica delle alte energie Come noto uno dei maggiori rischi della tecnologia CMOS l innesco del latch up causato dalla presenza di un circuito parassita all interno dell architettura base della tecnologia nMOS in serie a un pMOS Si tratta di due transistor bipolari in retroazione se in un qualsiasi momento la tensione di base emettitore di uno dei due transistor supera la tensione di soglia cio la tensione locale del sustrato sale scende di Vy rispetto massa alimentazione questo si accende
130. odo In molti casi tuttavia possibile inserire comunque dei pMOS ipotizzando che la perdita di carica causata da questi sia comunque compensata dalla possibilit di implementare una circuiteria pienamente CMOS all interno del pixel Questo ultimo approccio risulta pi praticabile nelle tecnologie pi recenti che permettono di creare dispositivi pMOS di dimensioni ridotte e di conseguenza in grado di sottrarre meno carica al fotodiodo Inoltre i processi pi recenti mettono a disposizione una serie di strumenti che permettono la creazione di p well profonde in grado di isolare le n well dei pMOS INMAPS 14 limitandone la raccolta parassita di carica unicamente alla propria n well Introduzione 35 Deep P Well Epitaxial Laver 12um thick P substrate 100s um thick Figura 14 Isolamento della n well del pMOS mediante p well profonda 14 Un alternativa interessante e speculare alla precedente allo scopo di inserire pMOS senza penalizzare l efficienza nella raccolta di carica e di impiegare circuiti pi complessi la possibilit di impiegare un processo twin well che permetta di creare tasche p all interno di una n well profonda 12 In questo modo gli nMOS possono essere realizzati direttamente all interno del fotodiodo che pu occupare cos tutta l area del pixel Questo approccio permette di inserire sul pixel una gran quantit di elettronica oltre alle n well del pMOS che si trovano ad occupare una
131. ome si pu notare stata ricercata la maggiore flessibilit possibile in modo da avere un sensore in grado di adattarsi ad ambiti differenti sia medicali raggi X che di fisica delle alte energie MIP Il Chip RAPS 03 103 ii cr E ji AA Brite a ore Figura 63 I due pixel della matrice principale small a e Large b Il Chip RAPS 03 104 La matrice principale del RAPS 03 La matrice principale formata da un array di 256x256 pixel arrangiati in 4 sottomatrici di 128x128 pixel ognuna con la propria circuiteria di lettura che forniscono in uscita quattro valori analogici in parallelo In realt per evitare effetti di bordo che nelle matrici del RAPS 02 portavano ad una raccolta di carica molto superiore per i pixel esterni ci sono due ulteriori file di pixel attorno alla matrice che non vengono lette e che sono state inserite per raccogliere l eventuale carica ai bordi della matrice salvaguardando cos l uniformit della raccolta di carica degli altri pixel I pixel che costituiscono la matrice mostrati in Figura 63 sono dei 3T standard di dimensione pari a 10x10um differenti fra loro come dimensione e forma del fotodiodo Il layout prevede un elevato fill factor superiore all 80 e un anello di guard ring a delimitare il perimetro del pixel in modo da limitare lo spreading di carica fra pixel adiacenti Il fotodiodo formato o da un normale contatto nwell psub di 2x2um pixel s
132. ommon drain passando attraverso una diffusione n nel bulk bens attraverso una metallizzazione Sul chip RAPS 03 sono presenti singoli pixel di questo tipo fatti impiegando layout e numero di diodi differenti I pixel enclosed gate sono a loro volta pixel 4T costruiti impiegando un diverso tipo di transistor Infatti l enclosed gate un pixel in grado di sopportare grazie alla propria forma anulare maggiori esposizioni a radiazione senza l incremento della corrente di sottosoglia che rende inaffidabili i normali MOS lineari Proprio per studiare al meglio la possibilit di impiegare questa soluzione in futuri sviluppi una serie di singoli transistor di differenti dimensioni sia lineari che enclosed gate sono stati sviluppati in modo da poter valutare le curve di Id in funzione sia della tensione gate source che source drain che ne permettono la caratterizzazione Infatti uno dei maggiori ostacoli all impiego di questi dispositivi la difficolt nel calcolare il rapporto W L Se nei lineari il valore di questo rapporto intuitivo negli enclosed a causa della particolare conformazione del gate risulta complicato ed anzi non si ancora giunti ad una formula universalmente accettata 18 in generale si tratta di spezzare il MOS in una serie di MOS pi piccoli in parallelo per cui 1 4 lati vengono a contribuire al fattore di forma come 4W L mentre il calcolo del rapporto per i MOS corrispondenti agli spigoli dell anello c
133. one TAD OL Ne priorato 52 Acceleratori di particelle aaa arie 56 Vertex detector eraen ie A REE EE RA TETERE 60 MI Crosta eea cake S E aa E E uaa 62 Silicon drift detectors rie ilaria i rile 63 COD retorico 65 DEPFE otel 67 Problematiche per un vertex detector CMOS n 69 CAPITOLO 2 IL PROGETTO RAPS ariana 75 Introduzione EEST 75 Scelta della leGnologia uu reo 75 Opzioni tecnologiche dei pixel APS i 78 Pixel WIPS orsi litro ia arenili Viliani 79 OPN PS Uhh liana 81 RAPS O02 lado bdo 84 PESA ARPS lella ed elio e iaia 85 SEU sperimentale siie ir gnnt o e p i nei 87 Sommario 156 Caratterizzazione elettrica iui arri 88 Caratterizzazione funzionale Eroi 91 Rice St EE EEEE Otek ahs 92 Sostanze radioattive sinnn alain 94 Proy LASER alain 97 CAPRIOLO VLR APSO alia Lia 101 Limitrdel chip RAPS 02 2s leleine 101 Specifiche del chip RAPS 03 icnaiatea teaser 101 La matrice principale del RAPS 03 104 Strutture di test del chip RAPSO3 srl alare 106 osicd del chip tsi a A E E E iaia 110 Testene nra a a E A E e A a E E EE EEE 112 Setup sperimentale hardware 113 Setup sperimentale firmware lalla 116 Setup sperimentale SOMWATe iii ore 121 Misure s l Sensoren irai n E a iS 127 Elettronica di lettura aaa rare 128 Mis tedileaka te fede a 131 Nisuredcrumoredellematticica arti arellal 133 Calcolo del Dynamic Range uciarania nanna aaa 137 Problemi ossea onelioo 138 Provedi I
134. ore generazione delle tensioni di alimentazione e di riferimento conversione A D dei segnali Logica esterna programmabile via software FPGA per la generazione dei segnali di controllo e per l invio dei dati digitali al PC PC per l acquisizione dei dati Come si vede il sistema progettato facilmente trasportabile e riposizionabile cos come la possibilit di riconfigurare facilmente l elettronica consente di modificare velocemente il funzionamento del sensore per adattarlo a condizioni differenti di funzionamento Setup sperimentale hardware Il setup sperimentale per il test del chip stato creato in collaborazione con l Universit di Perugia Esso consiste in una scheda contenente l elettronica di supporto per fornire al chip le alimentazioni e i segnali di controllo e per acquisire i segnali in uscita da esso Per avere facilit di configurazione e costi bassi i segnali di controllo del chip cos come il flusso di dati digitali in uscita dagli ADC sia interni che esterni vengono gestiti con una FPGA esterna Attualmente in uso una Evaluation Board della Opal Kelly Questa scheda provvede assieme all FPGA un interfaccia USB per la comunicazione con PC e programmazione della scheda ma disponibile anche un interfaccia JTAG per la sua programmazione tramite un VHDL creato con il tool ISE di Xilinx Si era in precedenza impiegata una scheda di minori prestazioni cio l evaluation board della Opal Kelly ch
135. ore ad una soglia selezionabile inoltre possibile scegliere di non valutare un certo numero di frames preliminari allo scopo di lasciare un certo periodo di tempo al RAPS per stabilizzare le uscite all inizio della fase di funzionamento e visualizzare l evoluzione nel tempo di alcuni parametri di interesse come la forma dell istogramma delle visite la media e il valore minimo del frame Va notato che un eccessivo processing dinamico dei dati pu essere problematico poich durante il processing il programma non pu attivare la lettura dell USB questo pu portare ad una parziale perdita di frames in quanto l FPGA smette di acquisire i nuovi frames quando trova la FIFO piena e in attesa di lettura Il Chip RAPS 03 124 Percentage of read frames in function of RAPS O3 frame rate of read frames O 50 100 150 200 250 300 350 frame rate Frames s Figura 71 Percentuale di frames acquisiti dal PC in funzione della frame rate del RAPS Caricando sull Opal Kelly un firmware di prova che genera una serie di matrici in cui il valore di tutti 1 pixel il numero del frame stesso il primo frame generato composto da tutti 1 il secondo da tutti 2 etc stato possibile contare quanti frames vengono effettivamente acquisiti dal PC per differenti frame rates del RAPS semplicemente acquisendo 100 frames e leggendo il valore dell ultima matrice che dice quanti frames il RAPS ha generato nel frattempo stato v
136. otodiodo pari a 49mV s da cui viene stimata la corrente di leakage sapendo che la capacit del diodo small pari a 3 5fF come rac dT e che risulta uguale a 0 17fA Il Chip RAPS 03 133 Altre prove sono state inoltre effettuate su pixel arrangiati in matrici 3x3 in cui ogni pixel dotato della propria elettronica di lettura considerando la perdita di tensione rispetto al tempo In questo caso possibile notare un certo effetto di bordo soprattutto nei pixel posti all angolo della matrice che risultano avere perdite di maggiore entit rispetto ai pixel adiacenti Mean output related dv dt for 3x3 matrix i Output related dV dt dispersion for 3 pixels of the 3x3 matrix Alto dx Centrale 40mV s Mean dv dt O 0 02 0 025 0 03 0 035 0 04 0045 0 05 0 055 0 06 0 065 0 07 Output related dV dt Figura 78 Leakage misurato per la matrice 3x3 di pixel small e dispersione delle pendenze misurate per 100 acquisizioni di 3 pixel campione Misure di rumore delle matrici La caratterizzazione delle matrici richiede la definizione dei rumori di tipo fixed pattern noise e termico Il primo rappresenta la variazione fra pixel e pixel imputabile alle variazioni di processo componenti nominalmente identici i cui parametri sono in realt differenti ed tempo invariante mentre il secondo di natura prevalentemente termica responsabile della variazione dei valori di un pixel sempre esposto alla stessa luminosit
137. ovviamente N mentre il rumore derivante dalla dispersione statistica di Poisson ha come deviazione sqrt N Il SNR relativo unicamente a questo tipo di rumore di conseguenza pari a N sqrt N cio sqrt N che conferma come questo contributo possa risultare fortemente penalizzante in ambiti in cui il sensore debba creare un immagine su un numero esiguo di fotoni Una seconda classe di rumori sono i rumori temporali che affliggono 1 canali dei MOS impiegati per la lettura MOS C D MOS di selezione oltre al MOS di carico del C D presente nell elettronica di colonna Si tratta di rumori a bassa frequenza 1 f e rumore termico o bianco possibile studiare la caratteristica di trasferimento del rumore di ognuno di questi MOS per averne il rumore termico riferito all uscita in particolare per il transistor in C D M2 _2kKT 1 at 14 Sm 8 43 AV Mentre per il transistor di selezione M3 AV kT 1 Mentre per il transistor di carico M4 RO Il contributo da parte del resto della struttura risulta trascurabile rispetto 1 transistor presi in esame cos come il contributo di rumore del transistor M3 risulta molto inferiore rispetto ai contributi di M2 e M4 Introduzione 25 Pixel i j Column Amp Cap Mux Output Amplifier Figura 9 Modello ai piccoli segnali per lo studio del rumore in un APS 3T 7 Un ulteriore tipo di rumore invece il Fixed Pattern Noise FPN Questo non un rumore propriamente detto in qu
138. quindi i successivi valori del RAPS vengano persi non potendo il RAPS esser messo in pausa Di conseguenza con l approccio impiegato la FIFO viene scritta solo quando un intero frame gi memorizzato per cui nel caso pessimistico appena descritto il riempimento della FIFO metterebbe in pausa la scansione della RAM che riprenderebbe al liberarsi di nuovi posti nella FIFO senza la perdita di alcun valore Setup sperimentale software I dati inviati via seriale al PC vengono quindi letti tramite un programma in Visual Basic 6 0 appositamente creato che riordina i pacchetti di dati visualizzando le immagini progressivamente acquisite e salvandole su file di testo per una successiva elaborazione Figura 69 inoltre possibile selezionare le dimensioni della matrice da acquisire 32x32 o 128x128 Il programma stesso permette alcune semplici operazioni preliminari sui dati come il calcolo del piedistallo in base ad una serie di preacquisizioni e l eliminazione di matrici all interno delle quali non sia stato registrato alcun evento In pratica il programma confronta il valore di ogni pixel col corrispondente pixel del piedistallo e se almeno uno di questi differisce di pi di una soglia decisa dall utente il frame viene salvato altrimenti viene scartato in quanto considerato privo di informazioni utili Si tratta della simulazione di un vertex detector in quanto quando si deve monitorare un evento fisico questo ha una frequenza di
139. rdita di tensione Dal punto di vista del fixed pattern noise questa si configura come una fonte di FPN perch la corrente di leakage varia fortemente in base ai parametri fisici del diodo In particolare aumentando il tempo d integrazione possibile notare un aumento nella dispersione dei valori di buio dei pixel di una matrice poich il maggior tempo d integrazione amplifica le differenze di tensione derivanti dalle diverse correnti di buio fra pixel differenti essendo in prima istanza Vieak Coal A causa della corrente di buio dei pixel inoltre necessario tenere sotto controllo la durata della fase d integrazione in quanto fasi di integrazioni troppo lunghe porterebbero ad una diminuzione dell escursione utile del segnale per il sommarsi di questa corrente con la fotocorrente In base all escursione minima di segnale accettata cio la differenza fra segnale saturato e valore buio la corrente di buio setta di conseguenza un massimo periodo di integrazione cio una frequenza minima di funzionamento Introduzione 27 Metodologie di riduzione del rumore Per ridurre il rumore esistono differenti approcci orientati soprattutto a ridurre i rumori a bassa frequenza come kTC e FPN L approccio pit classico per eliminare il FPN il double sampling DS che consiste nell eliminazione degli offset costanti che affliggono i segnali sottraendo loro un valore costante afflitto dallo stesso offset Il FPN di colonna v
140. requenza di funzionamento del circuito pi facile che il picco avvenga in corrispondenza dell istante di campionamento SEU Single event upset la radiazione induce la variazione del valore immagazzinato in un flip flop o latch In ogni caso si cerca di evitare questi problemi con soluzioni a livello di standard cells per i circuiti destinati ad ambienti irradiati 18 Al costo di una maggiore occupazione d area infatti possibile rendere i circuiti digitali robusti rispetto a questi malfunzionamenti Un primo metodo per contenere i SEU l aumento della capacit del nodo di memorizzazione con l inserimento di capacitori in parallelo in modo che pi difficilmente la perturbazione di carica causi una commutazione di valore logico In alternativa in un flip flop retroazionato il cambio dello stato di un nodo innesca una corsa critica dove il nodo rimasto al valore corretto tende a correggere il nodo sbagliato e viceversa Di conseguenza si pu inserire una rete RC fra i due inverter in modo che la perturbazione sull uscita di un inverter impieghi del tempo per modificare la tensione all ingresso dell altro inverter mentre il valore corretto non ha bisogno di propagarsi ed agisce immediatamente sull ingresso dell inverter la cui uscita stata invertita Ambedue questi metodi hanno il difetto di peggiorare le caratteristiche dinamiche dei flip flop Sono stati pertanto sviluppati layout di flip flop resistenti al
141. rificare una maggiore escursione di segnale per una tecnologia priva di strato epitassiale UMC rispetto una Il progetto RAPS TI tecnologia che lo prevede IBM soprattutto in conseguenza di un impatto di centrale sul fotodiodo Figura 43 Tecnologia bulk A e tecnologia a strato epitassiale B 1 80 1 70 1 60 Voltage V E E Gay Pepe 700 750 i 800 Figura 44 Tensione di un fotodiodo all impatto di una MIP in funzione del tempo ns per tecnologia senza strato epitassiale A e con strato epitassiale B Il progetto RAPS 78 Opzioni tecnologiche dei pixel APS Il primo accorgimento di cui si voluta valutare l efficacia stato il guard ring Per limitare lo spreading di carica infatti un accorgimento molto impiegato la creazione di barriere di potenziale che impediscano agli elettroni generati sotto ad un pixel di muoversi lateralmente verso un pixel adiacente Come detto nei capitoli precedenti lo spreading di carica non un effetto del tutto negativo dal punto di vista della risoluzione tuttavia nel caso di rilevazione di MIP con generazione di una quantit limitata di carica si possono ottenere dei falsi negativi Infatti se la carica risulta equamente divisa su pi pixel pu esser difficile identificare un pixel il cui segnale sia molto maggiore rispetto al rumore e di conseguenza un eventuale impatto pu non essere rilevato Il guard ring agisce proprio per confinare all
142. rtex detector Si tratta di un componente presente nei primi strati dei sensori il cui scopo segnalare il passaggio di una particella e le sue coordinate Ponendo un certo numero di questi dispositivi in successione inoltre possibile ricostruire l intera traiettoria di una particella in modo da comprenderne carica massa ed energia il che ne permette l identificazione Essendo il componente maggiormente vicino alla camera di collisione dove maggiore il flusso di particelle per unit d area risulta vitale una forte resistenza al danno da radiazione sia da esposizione che di tipo single event Altri requisiti essenziali sono Costi contenuti Basso consumo Introduzione 61 Alta frequenza di lettura Risoluzione spaziale almeno nell ordine della decina um Infatti questi sensori devono monitorare un area complessiva che per certi esperimenti pu superare 1 10m il che richiede anche bassi consumi e peso minimo altrimenti l intera struttura che li contiene potrebbe risultare meccanicamente critica dovendo sopportare un elevato peso ed una complesso sistema di raffreddamento Inoltre ricoprendo con sensori di risoluzione micrometrica e con data rate dell ordine delle migliaia di frames al secondo si genera una grande mole di dati in quanto il sistema si trova facilmente a dover vagliare in tempo reale dei flussi di decine di GB s Per realizzare simili dispositivi esistono innumerevoli opzioni tecnologiche Neg
143. rticolare l impiego di un nMOS come pull up fa s che l anodo sia caricato ad una tensione di una soglia inferiore rispetto la tensione di alimentazione Poich il segnale utile rappresentato dalla diminuzione di tensione misurata sull anodo del fotodiodo rispetto la tensione di reset evidente come l impiego di un nMOS come switch limiti Introduzione 19 l escursione utile di segnale Questo peggiorato dal fatto che sotto un certo valore di tensione di gate pari VintVpsa essendo Vpsa la tensione minima di drain a cui pu arrivare M4 il transistor in common drain non lavori pi in saturazione ma tenda a spegnersi riducendo ulteriormente lo swing di tensione rilevabile dal sensore gt 450mV 100mV a b Figura 6 Escursione di tensione disponibile per un pixel APS 6 Un secondo aspetto negativo del basso valore di reset sta nella minore estensione di larghezza della zona svuotata che porta ad una diminuzione della porzione maggiormente sensibile del pixel essendo la larghezza della zona svuotata nel sustrato p _ 2e Ni 1 i q4 N Na N con Na e Ng densit di accettori e donatori rispettivamente N lt lt Ngq perch il bulk molto meno drogato della n well e V tensione applicata riferita al catodo La carica generata al di fuori della zona svuotata pu sempre esser raccolta dal fotodiodo ma in misura minore rispetto alla zona svuotata in quanto come precedentemente spiegat
144. sibile del fotodiodo mantenuta costante tramite una ricarica che periodicamente ricrei la zona svuotata e lettura del valore in tensione prima della ripolarizzazione nel secondo caso il fotodiodo viene lasciato flottante in modo che raccogliendo la carica generata dalla radiazione incidente abbassi la propria tensione comportandosi come una capacit In questo modo al momento della lettura la tensione sar proporzionale all intensit luminosa sul fotodiodo durante il periodo in cui rimasto isolato Si parla di conseguenza di integrazione di carica in quanto non viene fornita la luminosit istantanea bens la luminosit totale in un intervallo di tempo Quando gli elementi fotosensibili sono strutturati in una matrice bidimensionale come in un imager o in un vertex detector e di conseguenza non possono esser Introduzione 9 monitorati continuamente ma solo letti periodicamente questo ultimo approccio il pi impiegato Per raccogliere la massima quantit di carica all interno del pixel si tende ad impiegare come zona p il sustrato o lo strato epitassiale del chip mentre la zona n del diodo solitamente costituita da una n well In questo modo possibile impiegare come zona di raccolta il bulk poco drogato 0 lo strato epitassiale quando la tecnologia ne fa uso aumentando il volume di raccolta della carica L informazione sulle buche viene persa in quanto queste vengono attirate dall anodo posto a massa m
145. spessore sensibile del sensore limitando di fatto la quantit raccolta di carica mentre in un approccio n well p bulk il sensore risulta sensibile fino ad una profondit circa pari al cammino medio di una particella nel silicio debolmente drogato Introduzione 11 Il pixel PPS I dispositivi CMOS sono divisi in due famiglie i sensori a pixel passivo PPS e i sensori a pixel attivo APS I primi sono l approccio pi semplice in quanto prevedono di impiegare all interno della matrice pixel dotati solo dell elemento sensibile fotodiodo e di un MOS impiegato come interruttore di indirizzamento Ogni pixel collegato ad un bus di colonna assieme agli altri pixel della propria colonna Durante ogni scansione tutti i pixel di una riga vengono abilitati accendendone il transistor di indirizzamento e collegandoli al relativo bus in modo da leggere la carica raccolta dal fotodiodo tramite un amplificatore di carica esterno alla matrice e collegato al bus che permette inoltre di mantenere circa costante la tensione di polarizzazione del bus stesso Al termine della lettura la carica sul fotodiodo viene azzerata in modo da riportarlo alla massima sensibilit reset quindi il pass transistor viene spento e si leggono 1 pixel della riga successiva In questo modo viene effettuta la scansione dell intera matrice I vantaggi di un simile approccio sono l elevato Fill Factor la zona cieca di ogni pixel ridotta ad un unico transistor
146. ssa questa tensione di soglia causando un aumento della corrente di sottosoglia negli nMOS con conseguente aumento della potenza dissipata Inoltre le particelle incidenti soprattutto quelle pesanti come protoni neutroni o nuclei atomici a bassa energia possono danneggiare il reticolo cristallino displacement damage creando delle impurit locali sia in singoli punti che in intere regioni cluster che agiscono come trappole per i portatori minoritari diminuendone la vita media In particolare 19 a seconda della particella e dell energia si possono trovare le seguenti tipologie di danno nel silicio Raggi y creano elettroni di Compton con energia lt 1Mev difetti di tipo puntuale Elettroni creano difetti puntuali E gt 255keV o cluster E gt 8MeV Neutroni difetti puntuale E gt 185eV o cluster E gt 35keV Q O O O O o O o dislocato Os g l Ca a O O O O O O O O O way 0 a ella ideie ee aa particella o O O O O o O O Figura 24 Modalit di creazione del danno reticolare una particella incidente scalza l atomo dalla sua posizione lasciando un interstizio vuoto 20 Nel caso dei sensori CMOS queste singolarit possono catturare gli elettroni fotogenerati nel bulk p impedendo loro di raggiungere il fotodiodo e pertanto causando una minore raccolta rispetto il dovuto Gli elettroni catturati potrebbero quindi essere rilasciati durante un ciclo di funzionamento successivo causando una sovrastima della car
147. stesso trend erodendo di conseguenza la tensione utile di segnale a cui si unisce anche una maggiore conversione carica tensione maggiore swing in seguito alla medesima illuminazione per la diminuzione della capacit del fotodiodo 6 Di conseguenza per ottenere un dynamic range accettabile risulta necessario impiegare tecniche alternative sfruttando la possibilit di inserire logica supplementare all interno del pixel stesso Introduzione 30 Pine Size Size um EEE Feature Size 0 1 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 Figura 10 Confronto fra i trend nella dimensione del pixel e minima lunghezza di canale per CMOS nel visibile 2 Inoltre il rumore in tensione di tipo KTC a causa delle minori dimensioni del pixel e di conseguenza della minore capacit risulta peggiorare con lo scaling nella misura di 1 L poich la capacit in prima approssimazione scala con 1 L La diminuzione di dimensioni del fotodiodo comporta altres un maggiore impatto della corrente di buio sul rumore totale del pixel Infine si ha un peggioramento del fixed pattern noise in quanto a dimensioni sub micrometriche la variazione delle tensioni di soglia e degli altri parametri di dispositivo nominalmente identici tende ad essere molto marcata Approcci alternativi Per ovviare ai problemi descritti oltre ad implementare nuove car
148. stronomici in cui il sensore viene illuminato con la luce proveniente da una stella con tempi di esposizione differente in modo da osservare eventuali variazioni di luminosit e diametro del disco Inoltre anche il setup sperimentale potr essere migliorato con l eventuale progettazione di una seconda scheda che permetta il pile up con controllo e contemporanea lettura di pi sensori In questo modo sar possibile valutare le prestazione del RAPS 03 anche come tracker osservando il passaggio di una particella in pi punti e potendone cos ricostruire la traiettoria Un secondo miglioramento alla scheda di acquisizione potrebbe esser la possibilit di effettuare conversione A D in parallelo e per tutte e 4 le matrici in modo da poter impiegare nei test l intera matrice 256x256 come area sensibile Ambedue questi miglioramenti a causa dell aumentato throughput che risulterebbe almeno quadruplicato richiederebbero modifiche sia ai programmi VHDL delle schede che ai programmi PC Bibliografia 151 BIBLIOGRAFIA 1 R Turchetta J D Berst B Casadei G Claus C Colledani W Dulinski Y Hu D Husson J P Le Normand J L Riester G Deptuch U Goerlach S Higueret M Winter A Monolithic Active Pixel Sensor for Charged Particle Tracking and Imaging Using Standard VLSI CMOS Technology Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 458 2001 677 689 2 E R Fossum CMOS Image Sensors Electronic Camera On A
149. ta di tensione sul pixel V i A N OY 0 05 0 05 34 10 5 Figura 60 Escursione di segnale per una G1PO a e una G1P1 b con laser UV per diverse posizioni dello spot rispetto il centro del pixel Il gap fra i due picchi dovuto alla presenza in quel punto della metallizzazione sopra al fotodiodo Ulteriori prove sono state effettuate sfruttando la possibilit di muovere il laser di step submicrometrici in modo da colpire punti diversi dello stesso pixel Di conseguenza spostando il laser e osservando l escursione del pixel in ad ogni nuova posizione stato possibile mappare la sensibilit del pixel in funzione del punto d impatto Nel caso di laser UV che non ha spreading di carica sono stati trovati due picchi di segnale in corrispondenza del fotodiodo con un gap fra i due dovuti allo schermo della metallizzazione Il progetto RAPS 99 del contatto metal n well quando il laser incide su questo punto viene schermato causando una minore generazione di carica Allo stesso modo prove effettuate coi laser sulle differenti matrici hanno permesso di verificare la maggiore efficienza nella raccolta di carica da parte dei pixel G1P1 grazie al p block che mostrano un maggior segnale se illuminati con il laser UV rispetto i GIPO Tuttavia questa efficienza vale solo in superficie in quanto i test con il laser IR carica generata in profondit pi simile ad una MIP hanno dimostrato una differenza mol
150. ti dispositivi si basa 2 3 4 sull impiego di un fotodiodo polarizzato in inversa in questo modo si viene a formare lungo Introduzione 8 la giunzione pn una zona svuotata di carica all interno della quale instaurato un forte campo elettrico Quando una radiazione incide su questa zona se ha un energia sufficientemente vicina al band gap del silicio genera delle coppie elettrone lacuna che invece di ricombinarsi vengono separate dal campo elettrico e raggiungono gli elettrodi di raccolta la generazione di coppie legata all equazione ade W Dove N il numero di coppie elettrone lacuna generate AE l energia rilasciata dalla singola particella fotone p e etc nel silicio e W l energia di band gap del silicio 3 6eV In pratica si genera una fotocorrente proporzionale alla quantit di energia rilasciata nel reticolo a sua volta funzione dell intensit e della lunghezza d onda della radiazione incidente la quale pu essere o misurata direttamente o misurata come differenza di tensione ai capi del fotodiodo Poich la fotocorrente tende a portare il diodo verso la debole inversione riducendo la zona svuotata e di conseguenza la sensibilit del fotorivelatore necessario contrastare questo fenomeno Esistono di conseguenza vari tipi di politica per mantenere il fotodiodo in inversione tramite polarizzazione continua solitamente con lettura in corrente del segnale in quanto la tensione sul nodo sen
151. to meno marcata fra i due pixel Infine i laser hanno permesso una stima teorica della risoluzione massima ottenibile dal sensore illuminando il pixel in punti differenti e osservando il cluster ottenuto si calcolato il centro del cluster stesso semplicemente come media pesata dei pixel Calcolando la differenza fra la posizione dello spot laser calcolata in base alle misure del RAPS e quella effettiva del laser si potuta stimare una risoluzione massima di 350nm per il laser visibile 240 XI ndf Constant Mean Sigma 338 6 250 221 2 1 8 0 009404 0 002157 0 3131 0 0014 1 2 Coordinate residuals micron Figura 61 istogramma degli errori fra la posizione misurata e la posizione effettiva dello spot Il Chip RAPS 03 101 CAPITOLO 3 IL RAPS 03 Limiti del chip RAPS 02 Come si visto i risultati delle misure e dei test del chip RAPS 02 sono risultati molto incoraggianti sia dal punto di vista dei raggi X che dal punto di vista delle MIP Tuttavia il chip presenta una serie di limitazioni Scarsa flessibilit di impiego il funzionamento della matrice non pu essere in nessun modo influenzato dall utente Matrici di dimensioni limitate 32x32 che non permettono prove del sensore in condizioni di funzionamento realistico Scarsa frequenza di lavoro 100kHz Elettronica analogica di lettura o poco flessibile essendo configurata tramite registri da 5 bit impossibile una regolaz
152. tronica posta sul sensore stesso e non tramite un dispositivo meccanico esterno Per per come il sensore strutturato questo porta ad una serie di problemi Infatti un pixel come quello descritto insensibile alla luce solo durante la fase di reset la quale ovviamente distruttiva del valore precedentemente raggiunto Poich i pixel vengono letti serialmente una riga per volta ne deriva che le prime righe e le ultime righe lette saranno state sottoposte ad illuminazione per tempi differenti Una possibilit a questo punto il global shutter in cui tutti i pixel della matrice sono resettati allo stesso istante ma vengono poi letti serialmente per cui 1 pixel della prima riga risulteranno pi scuri di quelli delle ultime che sono stati integrati per pi tempo Una seconda possibilit il rolling shutter in cui una riga sempre resettata subito dopo esser letta in questo modo il tempo di integrazione di ogni pixel resta costante per varia l istante di inizio un rettangolo verticale in movimento laterale verrebbe per esempio visualizzato come un parallelogramma di luminosit uniforme in una simile politica mentre nel primo caso risulterebbe piuttosto simile ad un trapezio di luminosit non uniforme Per superare queste limitazioni necessario come si vedr modificare la struttura stessa del pixel Per quel che concerne l elettronica di acquisizione l uscita di ogni colonna collegata ad una propria
153. tti durante lo stesso periodo di integrazione si Il progetto RAPS 80 avranno pi righe e colonne colpite per cui la ricostruzione dei punti d impatto non potr essere univoca Di conseguenza il WIPS opera nell ipotesi che per ogni matrice sia colpito ad ogni ciclo di funzionamento al pi un pixel Questo tipo di pixel incorpora al proprio interno anche un pMOS in quanto le simulazioni effettuate hanno dimostrato che in questo contesto la carica che la n well di un pMOS sottrae al fotodiodo non tale da inficiare il funzionamento del pixel Pixel WIPS bass ino Figura 46 Schematico del pixel WIPS con relativa elettronica di lettura Il funzionamento il seguente Il fotodiodo ripolarizzato reset alto M1 ON e M3 OFF mentre le capacit Cc c Cr vengono portate rispettivamente a Vdd e a 0 Segue una fase di attesa in cui il fotodiodo pu scaricarsi in seguito all impatto di una particella accendendo M2 In fase di lettura il bus di colonna viene precaricato a Vdd quindi viene lasciato flottante mentre i bus di riga sono polarizzati a massa se un pixel della colonna stato colpito porter in debole inversione il proprio pMOS che scaricher il bus corrispondente verso massa portandolo a 0 Il progetto RAPS 81 Lo stesso procedimento viene rifatto invertendo bus di colonna e di riga Di conseguenza l output del sensore sar cosituito dallo stato delle 32 colonne e quindi dallo stato delle 32 ri
154. ve Sy e Sm sono il segnale massimo e minimo rispettivamente e N il rumore Il valore di buio stato definito valore massimo calcolando un piedistallo da 100 frame bui Allo stesso modo stato calcolato un piedistallo impiegando 100 frame fortemente illuminati in modo da ottenere la saturazione per trovare i valori minimi I valori Sm e Sm sono stati quindi calcolati come le medie dei rispettivi piedistalli Il rumore invece quello calcolato al punto precedente Matrice Pixel small Pixel Large Sm 1 068V 1 120V Sm 0 654V 0 624 Rumore 1 6mV 2 9mV SNR 258 75 171 04 DR 48 3dB 44 7dB Le prove effettuate per il valore di Vpol ottimale trovato 575mV hanno dato un valore di DR di poco maggiore ai 45dB Questo valore piuttosto basso ricordando che un APS normale ha un DR di circa 55 60dB ottenibili con 1V di swing e ImV di rumore ma bisogna tener conto sia dell impiego di una polarizzazione che favorisce la risposta dinamica all escursione per il source follower sia della tecnologia impiegata Infatti con una tecnologia in 0 18um difficile ottenere elevate escursioni di tensione e allo stesso modo il rumore relativamente alto che affligge le matrici del RAPS peggiora leggermente la situazione Problemi osservati Le prove effettuate hanno portato ad osservare alcuni comportamenti inaspettati del sensore Il malfunzionamento pi eclatante presente nelle matrici 128x128 destr
155. ve hanno dimostrato un funzionamento corretto della logica per frequenze fino a 120MHz che dimostra come il RAPS 03 possa essere impiegato anche in applicazioni ad alta frequenza con tempi di lettura di una matrice inferiori ai 150us Il Chip RAPS 03 131 af tart zope etm n E deans ne Scansione Matrice Letta Ultima Riga DM Start_frame E End_Col E Analog_out E End Row ti 05 D 05 1 15 2 S x 104 Figura 76 Funzionamento osservato della matrice a 120MHz la lettura di un intera matrice 128x128 effettuata in meno di 150us Misure di leakage Negli esperimenti di fisica delle alte energie il metodo di scansione impiegato solitamente event triggered per cui la matrice viene tenuta al buio e letta solo quando un sensore esterno tipicamente un calorimetro rileva che c stato il passaggio di una o pi particelle di cui si vuole conoscere il punto di passaggio Poich tale opzione prevede di tenere la matrice in attesa stato d integrazione per un tempo indefinito effettuando la lettura solo in seguito ad un evento esterno di trigger necessario effettuare una caratterizzazione del leakage a cui sottoposta la matrice Infatti poich le correnti in inversa del fotodiodo tendono a scaricarlo anche in assenza di luce un tempo di integrazione eccessivamente lungo porter ad una forte riduzione dell escursione di tensione massima fino al punto in cui la tensione del fotodiodo scenda sotto il range

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