Università degli Studi di Parma Dipartimento di

Università degli Studi di Parma
Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra
Dottorato in Fisica XXIX Ciclo
Andrea Santi
Relazione di Dottorato
MISURE E MODELLIZZAZIONE DI TRASPORTO IN FOTO-RIVELATORI
ALLO STATO SOLIDO
In questa tesi vengono presentati i risultati dello studio delle proprietà di trasporto e del profilo di
campo elettrico in rivelatori allo stato solido di raggi 𝑋 e 𝛾, mediante nuovi metodi di analisi dei dati
sperimentali di transiente di fotocorrente indotta.
La capacità di questi dispositivi nel rivelare in modo ottimale l’energia del fotone da essi assorbita
risiede in grandezze fisiche intrinseche del materiale quali un’elevata resistività, un alto potere di
frenamento della radiazione incidente e un’ottima efficienza di raccolta di carica.
La ricerca è parte di un progetto di studio e di applicazione di materiali II-VI semi-isolanti e
specialmente del composto binario 𝐶𝑑𝑇𝑒 ed in particolare del composto ternario 𝐶𝑑1−𝑥 𝑍𝑛𝑥 𝑇𝑒
(CZT). L'attuale interesse suscitato nei confronti di questo materiale risiede nella sua capacità di
risolvere dal punto di vista spettroscopico i fotoni ad alta energia. Grazie al suo notevole stopping
power, dovuto all'elevato numero atomico dei suoi componenti e ad un elevato rapporto
segnale/rumore, dovuto ad una resistività dell'ordine di 1011 Ω 𝑐𝑚, il CZT si classifica come uno dei
migliori rivelatori di radiazioni a temperatura ambiente. I problemi riguardo la sua purezza e
omogeneità sono però ancora lontani dall'essere risolti. Per questa ragione le proprietà di trasporto
sono ancora limitate se comparate a Silicio, Germanio o Arseniuro di Gallio. L'elevata concentrazione
di difetti in CZT e la presenza dei contatti, necessari per la raccolta della carica fotogenerata,
modificano il profilo di campo elettrico che si viene a creare quando il CZT viene illuminato e
sottoposto ad una differenza di potenziale. La non-uniformità del campo elettrico all'interno del CZT
è confermata sia da simulazioni numeriche che da evidenze sperimentali (misure di effetto Pockels).
Poiché il campo elettrico governa il trasporto dei portatori di carica risulta di primaria importanza
studiare il suo profilo spaziale.
La tecnica utilizzata per poter ottenere informazioni riguardo alle modalità trasporto e al campo
elettrico all’interno del materiale è una tecnica TOF (di tempo di volo) denominata Laser Excited–
Transient Current Technique: (LE-TCT).
La misura comporta l’acquisizione di segnali di transienti di corrente indotta sull’elettrodo di raccolta.
A differenza dei raggi X e gamma, dove la profondità di assorbimento può essere anche di decine di
millimetri, la radiazione utilizzata nell’esperimento si colloca nella regione del visibile, con
un’energia per fotone appena maggiore dell’energy gap del materiale (circa 1.57 𝑒𝑉). Questo valore
di energia permette la creazione di una sola coppia elettrone-lacuna per ciascun fotone e la radiazione
è assorbita entro pochi micrometri di materiale sotto dell'elettrodo illuminato. Si possono così ottenere
in maniera semplice le proprietà di trasporto di elettroni e lacune separatamente.
Le misure di transiente effettuate su rivelatori full-area (entrambe le facce dei contatti sono
completamente ricoperte di metallo, come oro o platino) hanno coinvolto lo studio e la comparazione
di diversi campioni. L’analisi dei transienti di corrente è stata fatta utilizzando un nuovo modello (2𝜏
model) che ha permesso di ricavare sia i parametri di trasporto sia il profilo di campo elettrico
all’interno del materiale, conoscendo solamente lo spessore del materiale, le tensioni applicate e
ipotizzando che i parametri di trasporto non dipendano dalla tensione. Il modello è stato testato con
successo per l’analisi di campioni di CdZnTe e di CdTe di diversi spessori (da 270 𝜇𝑚 fino a 4 𝑚𝑚),
di diversa provenienza (commerciali REDLEN e IMEM), su cui sono stati applicati sia contatti di
platino che di oro. Inoltre i risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli trovati misurando
l’efficienza di raccolta di carica in funzione della tensione applicata.
Segnali di corrente elettronica su campione CZT IMEM Spessore 𝐿 = 2.5 𝑚𝑚
Recentemente sono state messe a punto geometrie complesse come pixel e strip, con l’intenzione di
accoppiare una buona performance spettroscopica ad una buona risoluzione spaziale. In questo modo,
un unico dispositivo è in grado di identificare sia l’energia del fotone incidente, sia la sua posizione
d’impatto. Una geometria complessa, tuttavia, comporta complicazioni dal punto di vista del calcolo
del segnale corrente. Un nuovo modello (1𝜏 model) è stato ideato e proposto in questo lavoro di tesi
per permettere di disaccoppiare il contributo del campo di weighting (geometrico) da quello dovuto
del campo elettrico (fisico). La procedura per poter ricavare tutte le quantità di interesse passa
attraverso un processo autoconsistente che permette di trovare la legge oraria dei portatori, seguito da
un processo di minimizzazione e da una procedura di ricostruzione del campo elettrico. I valori di
mobilità e tempo di vita sia di elettroni che di lacune ottenuti con il nuovo modello risultano in buon
accordo con i valori presenti in letteratura e risultano giustamente indipendenti dalla dimensione del
pixel.
Infine è stato presentato anche un modello che tiene conto della diffusione termica dei portatori,
fenomeno assunto come trascurabile nei modelli precedenti. La diffusione non modifica
sostanzialmente il profilo di corrente ma la sua introduzione aumenta in modo considerevole la
difficoltà di una trattazione analitica. Il maggiore effetto della diffusione, che comporta lo
sparpagliamento dei portatori durante il loro volo, si può osservare in corrispondenza dell’arrivo della
carica in prossimità dell’elettrodo di raccolta. Il coefficiente di diffusione risulta direttamente
proporzionale alla mobilità dei portatori la quale può quindi essere calcolata in due modi indipendenti
a partire dai transienti di corrente.
ATTIVITA’ SVOLTE DURANTE IL DOTTORATO
CORSI SEGUITI
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Elettronica e Acquisizione Dati (da 03/2014 a 06/2014) (6 CFU) Dott. Zanichelli
Proprietà di trasporto nella materia condensata (da 03/2014 a 07/2014) (6 CFU) Prof.ssa Parisini
Materiali fotoconduttivi (da 12/2014 a 06/2015) (6 CFU) Prof.ssa Pavesi
Laboratorio di Spettroscopie Risolte nel Tempo (da 03/2016 a 10/2016) (6 CFU) Prof. Viappiani
TUTORATO
 Ho partecipato al Progetto Lauree Scientifiche svolgendo attività di supporto all'iniziativa “Alla
scoperta del mestiere del Fisico” nell'ambito del PLS. Giugno 2013, Giugno 2014, Giugno 2015 e
Giugno 2016
 Attività di tutorato per il corso di laboratorio di Fisica 1 (Prof. Bersani e Baraldi) al Dipartimento
di Fisica da ottobre 2014 a luglio 2015 e ottobre 2015 a luglio 2016. (impegno orario 35 ore).
 Attività di tutorato per il corso di Fisica 2 (Prof.ssa Burioni) al Dipartimento di Chimica da
settembre 2014 a settembre 2015 e da settembre 2015 a settembre 2016. (impegno orario 35 ore).
CONFERENZA NSS/MIC a Strasburgo (ottobre 2016) in cui:
 Ho presentato il poster: “Diffusion Coefficient and Drift Parameter Evaluation in Telluride
Solid-State Detectors” A.Santi, M. Bettelli, A. Zappettini, M.Zanichelli, M.Pavesi
 E’stato mostrato il modello di weighting field non uniforme in un invited oral presentation:
“Laser Induced Transient Current Technique as a Powerful Tool to Determine Charge
Transport Properties, Electric Field and Weighting Field Distribution in CdZnTe Detectors”
A.Zappettini, A. Santi, M. Bettelli, G. Piacentini, M. Zanichelli, and M. Pavesi.
ARTICOLI
 A.Santi, G. Piacentini, M. Zanichelli, M. Bettelli, A. Zappettini, and M. Pavesi,
“Evaluation of electric field profile and transport parameters in solid-state CZT detectors”
Proc. Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC) IEEE
(2015)
 M.Zanichelli, A.Santi, M.Pavesi, A. Zappettini; “Charge collection in semi-insulator
radiation detectors in the presence of a linear decreasing electric field”. J. of Phys. DAppl.Phys. 46, 365103 (2013)
 A. Santi, M. Zanichelli, G. Piacentini, M. Pavesi, A. Cola and I. Farella; “An original
method to evaluate the transport parameters and reconstruct the electric field in solid-state
photodetectors”. Appl. Phys. Lett. 104, 193503 (2014).