Laboratorio di Strumentazione
Elettronica
Proposte di attività per il Progetto Elettronico per
gli studenti del Corso di Laurea in Ingegneria
Elettronica e delle Telecomunicazioni
Gruppo di ricerca
Lodovico Ratti, responsabile del Laboratorio di Strumentazione
Elettronica
Stretta collaborazione con gruppo del prof. Valerio Re dell’Università
di Bergamo (Massimo Manghisoni, Gianluca Traversi)
Tre dottorandi attualmente impegnati in attività di ricerca presso il
nostro gruppo: Alessia Manazza, Emanuele Quartieri e Stefano Zucca
Proposte di attività per studenti della Laurea di Primo Livello
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Linee di ricerca
Progetto e caratterizzazione di elettronica di lettura in tecnologia CMOS
per rivelatori di radiazione ad elevata risoluzione spaziale (pixel)
Sensori monolitici in tecnologia CMOS da 130 nm ad integrazione
verticale (3D)
Sensori monolitici in tecnologia CMOS INMAPS da 180 nm
Caratterizzazione di dispositivi realizzati con tecnologie innovative
Caratterizzazione di tecnologie CMOS submicrometriche planari (Lmin=40 nm)
Caratterizzazione di tecnologie CMOS submicrometriche ad integrazione
verticale (Lmin=130 nm)
Studio degli effetti delle radiazioni su dispositivi e circuiti
Sensori monolitici e dispositivi singoli realizzati in tecnologia CMOS 3D
Sensori monolitici e dispositivi singoli (diodi) realizzati in tecnologia CMOS
INMAPS
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Rivelatori di radiazione: come funzionano
Un rivelatore di radiazione ha la stessa struttura di un diodo
polarizzato in regione inversa
La carica rilasciata in seguito
al passaggio di una particella
viene raccolta ad un
elettrodo (moto per deriva o
per diffusione)
In un sensore
monolitico il
rivelatore ed i
circuiti di lettura
sono realizzati sul
medesimo
substrato
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A cosa servono
Un rivelatore di radiazione può servire a misurare
la quantità di energia rilasciata da una particella
l’intensità o dose della radiazione (ovvero il numero di particelle incidenti)
il tempo di arrivo di una particella
la posizione in cui una particella attraversa una certa superficie (o la direzione
lungo la quale la particella si muove, in questo caso sono richiesti almeno due
strati di rivelatori)
tracce
superficie
esterna
rivelatore a pixel
superficie
interna
y
x
vertice
(origine)
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Dove si usano
Riconoscimento e
datazione di
opere d’arte
Diagnostica
medica
Astronomia
spaziale
Fisica delle
particelle
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Pixel monolitici in tecnologia CMOS 2D e 3D
Sensori di radiazione monolitici realizzati con
una tecnologia CMOS da 130 nm in tecnologia
planare e ad integrazione verticale
WB/BB pad
TSV
Applicazioni nella fisica delle alte
energie ed in campo biomedico (esame
radiografico di tessuti biologici)
I strato (circuiti analogici
e sensore)
II strato (circuiti digitali)
Inter-tier
bond pads
1st wafer
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Progettazione di circuiti 3D
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Schema del canale di lettura
discriminatore
preamplificatore
AVDD
AVDD
DVDD
Inter-tier
bond pads
Vfbk
ai blocchi
digitali
Vt
DGND
CF
AGND
strato 1
strato 2
(BOTTOM)
(TOP)
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Prototipi di sensori in tecnologia 3D
Diverse strutture di test: matrici di
sensori di piccole, medie e grandi
dimensioni (3x3, 8x8, 16x16,
249x256), singoli canali di lettura con
e senza sensore
Caratterizzazione dei dispositivi
con strumentazione da banco
(oscilloscopi, generatori di forme
d’onda) e con laser infrarosso
(studio della raccolta di carica)
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Tecnologia CMOS INMAPS
Consente di ottimizzare il funzionamento di un sensore monolitico
(ovvero massimizzare l’efficienza di raccolta della carica) schermando le
N-well dal substrato mediante uno strato p+ sepolto e consentendo di
utilizzare transistori PMOS nel progetto dei circuiti di lettura (analogici
e digitali)
Tecnologia CMOS standard
Tecnologia CMOS con
quadrupla well
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Prototipi di sensori in tecnologia CMOS INMAPS
Matrice 32x32 matrix
(4-diode pixels) con
architettura di lettura
digitale selettiva
Matrici 3x3 per
caratterizzazione del
sensore e
dell’elettronica di
lettura analogica
Diodi Nwell/strato
epitassiale p, singoli
pixel
(sensore+circuito di
lettura)
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Cella elementare
Elettrodi
di raccolta
Capacità di
ingresso del filtro
Sezione
analogica
Filtro
Preamplfiicatore
di carica
Discriminatore
Sezione
digitale
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Test di pixel monolitici
Strutture di test costituite da matrici di
sensori con lettura digitale, piccole matrici
con uscita analogica, singoli canali con e senza
sensore connesso
Test effettuati mediante schede
stampate, che consentono di
interfacciare il chip con
strumentazione di misura
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Possibili attività su pixel monolitici CMOS
Caratterizzazione di sensori monolitici a pixel attivi in tecnologia
CMOS da 130 nm
Caratterizzazione di sensori monolitici a pixel attivi in tecnologia
CMOS INMAPS da 180 nm
Test su sensori monolitici CMOS stimolati con laser infrarosso
Progetto, simulazione e layout di
uno o più blocchi circuitali
(preamplificatore di carica, filtro
formatore, comparatore) per
lettura di segnali da sensori di
radiazione
Simulazione a livello fisico di sensori
monolitici con CAD tecnologico
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Caratterizzazione di dispositivi a semiconduttore
Caratterizzazione statica, di segnale e di rumore di
dispositivi singoli realizzati in tecnologie CMOS
estremamente scalate (deep submicron)
Amplificatore
a transimpedenza a
basso rumore
Circuito di
polarizzazione di
gate e drain
RF
Stadio di
guadagno
Analizzatore
di spettro
S
D.U.T.
Circuito di
polarizzazione
del bulk/well
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Resistenza alle radiazioni in dispositivi e circuiti
Nei dispositivi CMOS l’effetto principale della radiazione ionizzante consiste
nella generazione di carica all’interno dell’ossido di silicio (ossido di gate,
ossido di campo, shallow trench isolation) e/o all’interfaccia Si/SiO2
L’esposizione a radiazione ionizzante può dunque comportare variazione della
tensione di soglia, aumento delle correnti di leakage di drain ed aumento del
rumore elettronico
L’obiettivo dell’attività è stabilire come i mutamenti
dei processi produttivi alterino le proprietà dei
circuiti microelettronici dal punto di vista della
resistenza alle radiazioni
G
D
D
G
S
+
+
+
+
+
+
+
+
+
STI
++ + + + ++
STI
S
+
+
+
+
+
+
+
+
+
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Layout resistente alle radiazioni
La resistenza alle radiazioni di un circuito può essere migliorata disegnando in
maniera opportuna i dispositivi che lo compongono (in realtà solo quelli la cui
degradazione può compromettere il funzionamento del circuito)
E’ interessante verificare i vantaggi offerti dall’uso di un layout chiuso
attraverso la caratterizzazione, in particolare sotto il profilo del rumore
elettronico, di sensori monolitici esposti a radiazione ionizzante
Layout standard
Layout chiuso
SOURCE
GATE
Leakage
paths
DRAIN
+
++
DRAIN
GATE
+
++
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SOURCE
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Possibili attività relative a caratterizzazione
di tecnologie CMOS
Caratterizzazione di dispositivi CMOS da 130 nm realizzati in tecnologia
ad integrazione verticale
Studio della tolleranza alle radiazioni ionizzanti di dispositivi singoli e
sensori monolitici CMOS da 130 nm realizzati in tecnologia ad
integrazione verticale
Studio sperimentale delle caratteristiche di rumore in dispositivi CMOS
con lunghezza minima di canale pari a 40 nm
Studio della resistenza alle radiazioni di dispositivi CMOS con
lunghezza minima di canale pari a 40 nm
Studio della resistenza alle radiazioni in sensori monolitici
realizzati in tecnologia CMOS INMAPS da 180 nm e strato
epitassiale ad alta resistività
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Quali opportunità offre l’attività presso il
Laboratorio di Strumentazione Elettronica
L’attività presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica può
coprire gli aspetti sperimentali e/o teorici degli argomenti proposti
Offre allo studente, a seconda dell’argomento affrontato, la
possibilità di acquisire competenze relativamente a
progetto di circuiti analogici a basso rumore elettronico
uso degli strumenti software più diffusi per la simulazione ed il progetto di
circuiti elettronici
caratteristiche delle tecnologie CMOS bulk di più recente introduzione e di
altre tecnologie innovative
comportamento dei dispositivi elettronici, anche a livello fisico, approfondito
a livello sia teorico, sia sperimentale
uso di strumentazione di laboratorio avanzata
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Contatti
Lodovico Ratti,
Laboratorio di Strumentazione Elettronica
email: [email protected]
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