Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria delle
Telecomunicazioni
Caratterizzazione sperimentale di rivelatori con
elettrodi tridimensionali
Relatore
Prof. Gian-Franco Dalla Betta
Laureandi
Cristiano Carlevaro
Riccardo Zarpellon
Correlatore
Ing. Marco Povoli
Anno Accademico 2009/2010
Introduzione ....................................................................................................................... 5
Capitolo 1 .......................................................................................................................... 7
Silicio e Radiazioni elettromagnetiche .............................................................................. 7
Silicio ......................................................................................................................................... 7
Semiconduttori intrinseci .......................................................................................................... 8
Semiconduttori estrinseci ......................................................................................................... 9
Radiazioni ................................................................................................................................ 11
Le radiazioni ionizzanti ........................................................................................................ 11
Particella Alfa .......................................................................................................................... 11
Interazioni con la materia ....................................................................................................... 12
Americio .................................................................................................................................. 13
La luce...................................................................................................................................... 14
Laser ........................................................................................................................................ 15
Capitolo 2 ........................................................................................................................ 17
Rivelatori di radiazione ................................................................................................... 17
Rivelatori per la fisica delle alte energie ................................................................................. 18
Rivelatori a semiconduttore ................................................................................................ 18
Rivelatori planari ................................................................................................................. 20
Principi di funzionamento ....................................................................................................... 20
Tipologie rivelatori .................................................................................................................. 21
Pad detectors ...................................................................................................................... 21
Strip detectors ..................................................................................................................... 21
Pixel detectors ..................................................................................................................... 22
Danno da radiazione ............................................................................................................... 22
Danno superficiale............................................................................................................... 23
Danno substrato .................................................................................................................. 23
Capitolo 3 ........................................................................................................................ 25
Rivelatori di radiazioni ad elettrodi tridimensionali ........................................................ 25
3D-STC Rivelatori tridimensionali a singola colonna ............................................................... 26
3D-DDTC Rivelatori tridimensionali a doppia colonna ............................................................ 27
Costruzione ............................................................................................................................. 28
Diodo 3D-DDTC funzionamento .............................................................................................. 30
Possibili applicazioni................................................................................................................ 33
Capitolo 4 ........................................................................................................................ 34
2
Esperimenti di laboratorio ............................................................................................... 34
Settaggio sperimentale dell’esperimento con diodi laser ...................................................... 34
Oscilloscopio Tektronic tds 3012 ............................................................................................ 34
Generatore di forme d'onda Agilent 4156c ............................................................................ 35
Amplificatore “Andreis Franco” .............................................................................................. 36
Laser driver “Zeni”................................................................................................................... 37
Diodi 3D-DDTC......................................................................................................................... 38
Laser ........................................................................................................................................ 39
Configurazione dell’esperimento ............................................................................................ 39
Sistema di generazione della radiazione ................................................................................. 42
Fibre ottiche ............................................................................................................................ 43
Rivelatore ................................................................................................................................ 43
Assorbimento .......................................................................................................................... 44
Settaggio sperimentale dell’esperimento con particelle alfa ................................................. 45
Descrizione dei dispositivi ....................................................................................................... 46
Diodi 3D_DDTC .................................................................................................................... 46
Amptek 250 (charge sensitive amplifier) ............................................................................ 46
Schema del circuito e descrizione del funzionamento............................................................ 47
Problematiche incontrate durante le prove con l’Amptek A250 ............................................ 49
Shaper ..................................................................................................................................... 50
Descrizione del circuito e funzionamento dello shaper .......................................................... 51
Oscilloscopio ZTEC ZT4211 ...................................................................................................... 52
Software utilizzati .................................................................................................................... 53
Ambiente di lavoro e setup sperimentale............................................................................... 54
Test .......................................................................................................................................... 57
Elaborazione dati con matlab.................................................................................................. 58
Capitolo 5 ........................................................................................................................ 59
Risultati sperimentali ....................................................................................................... 59
Esperimento con diodi laser .................................................................................................... 59
Test laser 630nm ................................................................................................................. 60
Test laser 980nm ................................................................................................................. 63
Test laser 1060nm ............................................................................................................... 66
Esperimento con particelle alfa .............................................................................................. 69
Spettri ottenuti con l’utilizzo di diodi 3D-DDTC .................................................................. 69
Considerazioni sull’uscita del pre-amplificatore di carica Amptek250 ................................... 71
3
Considerazioni sull’uscita dello shaper ............................................................................... 74
Confronto con la corrente in uscita dal rivelatore .............................................................. 74
Regione di confine ............................................................................................................... 77
Conclusioni .............................................................................................................................. 79
Misure dinamiche con sorgente laser ................................................................................. 79
Misure dinamiche con particelle alfa .................................................................................. 79
Ringraziamenti ........................................................................................................................ 81
Bibliografia ...................................................................................................................... 82
4
Introduzione
In questa tesi saranno esposti i risultati degli esperimenti svolti sui rivelatori per
radiazioni a elettrodi tridimensionali del tipo 3D-DDTC. La costruzione di questa
tipologia di rivelatori è finalizzata al superamento dei limiti delle tecnologie precedenti,
soprattutto in termini di velocità di raccolta della carica e resistenza al danno da
radiazione. A differenza dei rivelatori planari, dove la raccolta della carica avviene sulla
superficie del wafer, quelli 3D, tramite la realizzazione di elettrodi dentro il substrato,
permettono di ridurre la distanza che le cariche mobili devono percorrere. Questo tipo di
architettura dovrebbe permettere quindi di ottenere rivelatori molto più veloci e robusti
al danno da radiazione.
In particolare l'attività svolta è stata quella di caratterizzazione dei rivelatori 3D
sviluppati a Trento tramite l'utilizzo di diodi laser con differenti lunghezze d'onda al fine
di evidenziarne pregi e difetti.
La tesi è suddivisa in quattro capitoli che verranno riassunti qui a seguito.
Nel primo capitolo sono descritte le principali proprietà fisiche delle radiazioni, delle
particelle alfa, del silicio ed inoltre un cenno a nuovi materiali e dispositivi.
Nel secondo capitolo vengono descritti i rivelatori di radiazioni utilizzati negli
esperimenti in fisica delle alte energie, le prime strutture, il processo di fabbricazione ed
il loro funzionamento.
Nel terzo capitolo viene approfondita la struttura del rivelatore 3D ideata da Sherwood
Parker, descrivendone i concetti di base, il funzionamento. Vengono poi descritti i
rivelatori sviluppati a Trento negli ultimi anni facendo dapprima riferimento alla
versione semplificata (STC) e poi a quella oggetto di questa tesi (DDTC).
Nel quarto capitolo verranno spiegati lo svolgimento degli esperimenti, la
strumentazione utilizzata, il settaggio sperimentale e la caratterizzazione funzionale.
5
Nel quinto capitolo verranno esposti i risultati sperimentali ottenuti, analizzati
criticamente in base alle aspettative e verranno proposte soluzioni per lo svolgimento di
possibili nuove migliorie.
L'attività di tesi è stata svolta presso il Laboratorio di Elettronica NMS del
Dipartimento di Ingegneria e Scienza dell’Informazione dell'Università di Trento.
6
Capitolo 1
Silicio e Radiazioni
elettromagnetiche
In questo capitolo tratteremo le principali nozioni di fisica che servono alla
comprensione del funzionamento dei rivelatori di radiazione. In particolare tratteremo i
tipi di materiali utilizzati per la costruzione del rivelatore e forniremo una breve
introduzione sulle radiazioni [1].
Silicio
Il silicio è l'elemento chimico della tavola periodica degli elementi che ha come simbolo
Si e come numero atomico il 14. Un metalloide tetravalente, il Silicio è meno reattivo
del suo analogo chimico, il carbonio. La sua configurazione elettronica possiede quattro
elettroni nell'orbitale esterno che vengono condivisi da altri atomi per formare il
cristallo di silicio. Essendo il secondo elemento per abbondanza nella crosta terrestre
dopo l'ossigeno, il silicio è il principale componente di moltissimi materiali quali vetro,
cemento, ceramica, silicone e i semiconduttori. Nella sua forma più pura il silicio viene
utilizzato come semiconduttore ciò vuol dire che come materiale possiede una resistività
(o conducibilità) intermedia fra un isolante e un conduttore.
In un dato materiale, gli elettroni dei livelli energetici più esterni sono associabili alla
banda di valenza o a quella di conduzione. Solo gli elettroni della banda di conduzione
sono in grado di muoversi liberamente sotto l'azione di un campo elettrico esterno, e
dare quindi luogo a una corrente elettrica. La figura 1 schematizza le situazioni di
interesse per diversi tipi di materiali. Nei buoni conduttori le bande di valenza e di
conduzione sono parzialmente sovrapposte (a,b), mentre nei buoni isolanti le bande
sono ben separate e la banda di conduzione è vuota (d). Nei semiconduttori intrinseci le
due bande sono poco separate (c) e quindi è facile che, per agitazione termica, un
elettrone passi dalla banda di valenza a quella di conduzione.
7
Figura 1: Disposizione delle bande energetiche per diversi materiali
Semiconduttori intrinseci
Nel silicio l’energia di gap a temperatura ambiente (300 K equivalenti a 27 °C) è pari a
E = 1.12 eV. Questi solidi si comportano come isolanti a temperature prossime allo zero
assoluto (a T=273 K equivalenti a 0 C il gap è 1.12 eV per il silicio). Quando la
temperatura aumenta, non è trascurabile la probabilità che alcuni elettroni della banda di
valenza possano passare alla banda di conduzione per eccitazione termica. Gli elettroni
passati alla banda di conduzione, sotto l'azione di un campo elettrico esterno, danno
luogo a una densità di corrente je. Ogni elettrone che passa dalla banda di valenza alla
banda di conduzione lascia un livello vuoto nella banda di valenza, definito lacuna,
assimilabile ad una particella con carica positiva.
La presenza delle lacune rende disponibili altri livelli che possono essere occupati da
altri elettroni della banda di valenza e quindi, sotto l'azione di un campo elettrico, si può
avere un moto ordinato di cariche anche nella banda di valenza. Si parla quindi di una
densità di corrente nella banda di valenza jh
In un semiconduttore, in presenza di un campo elettrico esterno, abbiamo un flusso di
elettroni e lacune che si muovono con una certa velocità di deriva. A causa della diversa
carica elettrica, le lacune si muovono nella direzione del campo elettrico invece gli
elettroni nel senso opposto. Chiamando ne ,nh le concentrazioni degli elettroni e delle
8
lacune e ve , vh le velocità di deriva, una opposta e una concorde al campo elettrico
esterno, la densità di corrente totale è data da:
e considerando le mobilità di elettroni e lacune (diverse tra di loro perché descrivono
due condizioni fisiche diverse):
abbiamo che:
Nei semiconduttori descritti sin qui, le cariche sono quelle fornite esclusivamente dagli
atomi del semiconduttore stesso.
In questa condizione
; questa uguaglianza definisce i semiconduttori
intrinseci per i quali abbiamo che:
dove σi si chiama conducibilità intrinseca del materiale.
La concentrazione ni dei portatori di carica dipende dalla temperatura secondo la
funzione
dove C, è una costante che dipende dal materiale e
è la costante di Boltzmann. Questa formula è valida quando
verificate
sempre quando il materiale è solido.
Semiconduttori estrinseci
I semiconduttori estrinseci o drogati sono quei semiconduttori ai quali vengono aggiunte
impurità tramite il processo di drogaggio. Piccole percentuali di atomi diversi
9
aumentano le proprietà di conduzione del semiconduttore rispetto al caso intrinseco. Per
gli elementi appartenenti alla IV colonna della tabella periodica, ogni atomo è legato ad
altri quattro atomi dello stesso tipo nel reticolo cristallino, ciò è dovuto all'esistenza di
quattro elettroni di valenza dell’atomo del semiconduttore (silicio, germanio).
Aggiungendo atomi pentavalenti, cioè che hanno cinque elettroni di valenza, al
semiconduttore ( fosforo, arsenico, antimonio) si ha un aumento della concentrazione
degli elettroni di conduzione: questo tipo di drogaggio viene chiamato drogaggio di tipo
n.
Se invece aggiungiamo atomi trivalenti, al semiconduttore cioè atomi che hanno tre
elettroni di valenza nei livelli energetici più esterni ( boro, gallio, indio), questi creano
delle cosiddette trappole per gli elettroni, cioè creano legami che non sono stabili entro
il conduttore e attraggono gli elettroni liberi in modo da stabilizzarsi. A tutti gli effetti,
l'assenza di elettroni all'interno del reticolo cristallino di un semiconduttore può essere
considerata come una presenza di una carica positiva detta lacuna che viaggia entro il
conduttore esattamente come l'elettrone (ovviamente tenendo conto della carica).
Questo tipo di drogaggio viene chiamato drogaggio di tipo p.
Statisticamente un semiconduttore drogato tipo n o tipo p segue la legge di azione di
massa, cioè in un semiconduttore estrinseco, in condizioni di equilibrio. è:
cioè il prodotto delle concentrazioni (numero elettroni o numero lacune per metro cubo)
rimane costante.
Siano ND, NA le concentrazioni di impurità rispettivamente degli atomi pentavalenti e
trivalenti: esse sono il numero di atomi droganti per unità di volume immessi nel
semiconduttore, D sta a significare che gli atomi sono donatori cioè forniscono
elettroni, A che sono accettori cioè forniscono lacune. In un semiconduttore tipo n,
:
cioè il numero di elettroni di conduzione in un semiconduttore tipo n è circa uguale a
quello delle impurità pentavalenti presenti (o meglio, la concentrazione di elettroni
10
liberi è approssimativamente uguale alla densità di atomi donatori). Dalla legge di
azione di massa deriva che:
.
Ovviamente relazioni analoghe valgono anche per i semiconduttori drogati tipo p.
.
Radiazioni
Con il termine radiazione indichiamo quel fenomeno fisico in cui avviene un trasporto
di energia nello spazio. Possiamo distinguere fra vari tipi di radiazione come per
esempio quella ionizzante, elettromagnetica, acustica, solare, etc.
Le radiazioni ionizzanti
Le radiazioni ionizzanti sono quel tipo di radiazioni che hanno energia tale da ionizzare
gli atomi (o le molecole) con cui vengono a contatto. Per convenzione si considerano
ionizzanti le radiazioni che superano la frequenza di
. Le principali
cause di formazione di questo tipo di radiazioni sono il decadimento radioattivo, la
fissione nucleare e la fusione nucleare. Esistono vari tipi di radiazioni ionizzanti fra le
quali le radiazioni alfa e le radiazioni beta. Le radiazioni alfa sono costituite appunto da
particelle alfa che non sono nient’altro che due protoni e due neutroni legati assieme
dalla forza forte. Le radiazioni di tipo beta sono semplicemente elettroni o positroni ad
alta energia, espulsi da un nucleo atomico in un processo meglio conosciuto come
decadimento beta.
Particella Alfa
I rivelatori oggetto di questa tesi sono stati testati con particelle alfa provenienti da una
sorgente solida di Americio 241. La particella alfa è un nucleo di elio formato da 2
protoni e 2 neutroni e presenta doppia carica elettrica positiva. E' originata dal
11
decadimento di atomi pesanti che si trasformano in elementi più leggeri attraverso la
perdita di 4 nucleoni.
Interazioni con la materia
Il passaggio di una particella alfa attraverso un mezzo (nel nostro caso il rivelatore)
provoca, a causa della sua carica elettrica e della massa 7400 volte più grande
dell'elettrone, la ionizzazione di un gran numero di atomi per attrazione dei loro
elettroni. Ne consegue la creazione di un grande numero di coppie di ioni negativi
(elettroni liberi) e positivi (gli atomi ai quali sono stati tolti gli elettroni) che possono
condurre a una ionizzazione del mezzo (ionizzazione secondaria).
.
Figura 2: Curve di rilascio di carica associato alla penetrazione di una particella alfa nel silicio
Il processo di ionizzazione primaria provoca una perdita di energia cinetica della
particella alfa che riduce progressivamente la velocità della sua corsa finché non si lega
a due elettroni e si trasforma in un atomo di elio, con carica neutra. Nell'aria, per
esempio, ogni ionizzazione richiede circa 34eV; una particella alfa con energia di
3,4MeV produrrà circa 100 000 ionizzazioni e percorrerà circa 2cm prima di diventare
elettricamente neutra. Il percorso di una particella alfa a parità di energia cinetica è
molto più breve di quello di radiazioni con massa minore quindi si può affermare che la
radiazione alfa presenta basso range di azione ma alta capacità di ionizzazione. In aria
può arrivare al massimo a 4-5cm di distanza riducendosi drasticamente all'aumentare
12
della capacità del mezzo, tanto che la radiazione alfa non riesce a penetrare una barriera
come la pelle. Nel caso del silicio la strada è molto più breve e si aggira attorno ai 30µm
nel caso di particelle con energia di 6MeV come mostrato nella caratteristica in figura 2
La perdita di energia della particella alfa è raffigurata dalla prima curva che indica la
stepping Power ossia l'energia ionizzante emessa dalla radiazione mentre la seconda
curva ad andamento esponenziale indica la capacità di penetrazione nel silicio in base
alla sua carica.
Americio
L'Americio è un elemento con numero atomico 95 della famiglia degli attinidi. E' stato
il quarto elemento transuranico e si ottiene bombardando il plutonio con neutroni.
Il decadimento radioattivo fa di questo elemento un buon emettitore di particelle alfa,
ben tre volte superiore al radon, oltre che a essere una comoda sorgente portatile di
raggi Gamma (vedere figura 3). Esistono 18 isotopi dell'Americio tra cui di cui i più
stabili sono
243Am
e
241Am
rispettivamente con un'emivita di 7370 anni e di 432,2
anni; gli altri hanno una durata molto breve.
Figura 3: Sorgente di americio 241
Nella figura 4 è raffigurato lo spettro della sorgente di Am241 utilizzata per le misure
oggetto di questa tesi, in tabella (vedi fig.5) sono riportate le energie e le intensità delle
righe spettrali della radiazione alfa: l'Americio trova utilità come sorgente portatile di
raggi gamma nella radiografia e per misurare lo spessore del vetro.
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Figura 4: Spettro della sorgente Am 241
Figura 5: Tabella dell'energia emessa dalla sorgente di Am241
La luce
La luce (o radiazione luminosa) è una radiazione elettromagnetica che ha uno spettro
compreso tra i 700 e 400 nm; è costituita da fotoni che sono delle particelle portatrici di
energia che viaggiano alla velocità
( chiamata appunto velocità della luce) e la loro energia è data da:
dove h è la costante di Planck, v è la frequenza e
è la lunghezza d’onda. In figura 6
viene riportato lo spettro della radiazione elettromagnetica alle varie lunghezze d’onda,
14
evidenziando la stretta regione corrispondente alla luce visibile.
Figura 6: Lunghezze d'onda delle radiazioni
Laser
Con la parola laser ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ) si
intende un dispositivo in grado di emettere un fascio di luce coerente e monocromatica,
concentrata in un raggio rettilineo estremamente collimato. La radiazione laser viene dal
processo di emissione stimolata ovvero quel processo per cui un atomo eccitato viene
perturbato al passaggio di un fotone di frequenza v , corrispondente al gap energetico di
transizione tra lo stato eccitato e lo stato fondamentale dell’atomo. In questo caso
avviene un collasso dell’atomo allo stato fondamentale che induce l’emissione di un
nuovo fotone della stessa frequenza del primo e inoltre essendo che il primo fotone non
viene assorbito dall’atomo, il risultato finale sarà la presenza di due fotoni alla
medesima frequenza.
Il laser, a differenza di altri tipi di sorgenti, emette radiazioni in un'unica direzione, ciò
permette il suo utilizzo in svariati campi quali la spettroscopia, litografia e addirittura il
taglio dei metalli.
Oltre ad essere estremamente preciso, ha inoltre un elevata potenza, in particolare la
quantità emessa di fotoni per unità di frequenza. Un’altra caratteristica fondamentale è
la possibilità di costruire dei laser capaci di emettere pacchetti d’ onde estremamente
piccoli nel dominio del tempo (certi arrivano all’ordine dei femtosecondi) e la
possibilità di conoscere precisamente la lunghezza d’onda del fascio di radiazione. In
figura 7 vengono riassunte le tipiche lunghezze d’onda di emissione dei principali laser
a semiconduttori.
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Mezzo e tipo di amplificazione laser
Diodo laser a semiconduttore
GaN
AlGaAs
InGaAsP
sali di piombo
Vertical cavity surface emitting laser (VCSEL)
Laser a cascata quantica
Laser ibridi al silicio
Lunghezza d'onda operativa
0.4-20 µm, a seconda del materiale
400 nm
630-900 nm
1.0-2.1 µm
3-20 µm
850 - 1500 nm, a seconda del materiale
Dal medio al lontano infrarosso.
Medio infrarosso
Figura 7: Principali laser a semiconduttori
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Capitolo 2
Rivelatori di radiazione
Sotto il nome generico di rivelatori di radiazioni o di particelle, si raggruppano
numerosissimi dispositivi, diversi per funzioni e per costruzione.
Il campo dei rivelatori di radiazioni ionizzanti è in continua evoluzione, anche in
conseguenza dei grandissimi progressi nell’ambito della microelettronica, ed è quindi
difficile dare una descrizione esauriente di tutti i tipi e varianti di rivelatori esistenti. Nel
seguito daremo solo alcuni cenni relativi ai tipi fondamentali di rivelatori più
comunemente impiegati nelle ricerche e nelle sperimentazioni di fisica nucleare.
Un rivelatore o contatore di particelle può essere utilizzato per i seguenti scopi:
contare il numero di particelle che lo attraversano;
misurare in modo integrale il flusso di radiazione che lo attraversa (ad esempio
un fascio di particelle o la radiazione emessa da una intensa sorgente
radioattiva);
misurare l'energia di una particella o, almeno, l'energia depositata nel rivelatore
da una particella;
misurare la velocità della particella;
misurare la posizione geometrica della particella;
determinare l'istante, rispetto ad un opportuno istante di riferimento, nel quale la
particella entra nel rivelatore.
Alcuni rivelatori possono effettuare contemporaneamente più di una delle funzioni
sopraccennate. I vari rivelatori presentano caratteristiche diverse per quel che riguarda
la precisione di misura, la velocità di conteggio, i massimi flussi sopportabili o le
minime energie rivelabili ecc., e l'impiego di un tipo di rivelatore dipende dal problema
specifico che deve essere risolto oltre che da altri parametri quali ad esempio la
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semplicità d'uso, l'affidabilità, il costo, ecc.
Osserviamo anche che i rivelatori sono direttamente sensibili solo alle particelle
elettricamente cariche; le particelle neutre (neutroni, fotoni, ecc.) possono perciò essere
rivelate solo se, attraverso un qualche tipo di interazione, cedono tutta o parte della loro
energia a una particella carica.
Rivelatori per la fisica delle alte energie
Le capacità costruttive nel campo degli acceleratori di particelle ha raggiunto livelli di
complessità ed impegno tecnico e tecnologico veramente notevoli. Al passo con lo
sviluppo delle macchine acceleratrici si è mossa pure la tecnologia dei sistemi di
rivelazione necessari per lo studio delle interazioni di alta energia prodotte con l'uso di
tali macchine.
Rivelatori a semiconduttore
I rivelatori a semiconduttore, pur disponibili in molte varianti caratterizzate da principi
di funzionamento diversi tra loro, sono normalmente tutti riconducibili ad una struttura
tipo giunzione p-n. Una giunzione p-n è costituita da due strati di semiconduttore
rispettivamente di tipo p e n (vedi fig. 8). A causa delle concentrazioni molto diverse di
elettroni e lacune nei due tipi di semiconduttore, si avrà una forte diffusione di elettroni
dalla regione n alla regione p e di lacune in verso opposto. Questo movimento lascia
dietro di sé delle regioni prive di cariche mobili in prossimità della giunzione (regione
di svuotamento), al cui interno la distribuzione di cariche fisse dovute agli ioni donatori
e accettori determina la presenza di un campo elettrico che contrasta l’ulteriore
diffusione di elettroni e lacune. A suo volta questo campo elettrico corrisponde alla
presenza di una differenza di potenziale chiamata tensione di built-in. In condizioni di
equilibrio termodinamico, deriva e diffusione dei portatori di carica equivalgono e non
scorre alcuna corrente netta.
La giunzione p/n può essere polarizzata direttamente o inversamente. Polarizzare
direttamente significa collegare la parte di tipo p della giunzione al terminale positivo
del generatore di tensione e quello negativo alla parte di tipo n. Questo riduce
l’ampiezza della barriera di potenziale e permette che le lacune presenti nella regione p
e gli elettroni presenti nella regione n possano diffondere attraverso la giunzione,
producendo una corrente molto elevata.
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Nella polarizzazione inversa la regione di tipo p viene collegata al terminale negativo
dell’alimentazione e la regione di tipo n a quello positivo. La barriera di potenziale
aumenta e di conseguenza anche la resistenza quindi il flusso di cariche risulterà
minimo. In questo caso l’ampiezza della svuotata aumenta perché nella regione di tipo p
le lacune si allontanano dalla giunzione e nella regione di tipo n sono gli elettroni ad
allontanarsi.
Figura 8: Diodo a giunzione p-n in polarizzazione diretta
Nel suo impiego come rivelatore di radiazioni, la giunzione p-n va polarizzata
inversamente ad una tensione tale da consentire lo svuotamento completo del lato meno
drogato della giunzione. In tal modo sarà presente ovunque un campo elettrico tale da
agevolare la raccolta di carica. Quando una particella ionizzante attraversa la zona di
svuotamento, produce dei portatori di carica positivi e negativi che vengono raccolti
dagli elettrodi e danno luogo a un segnale di corrente. È evidente l'analogia della
giunzione p-n con la camera a ionizzazione.
Figura 9: Sezione schematica di un rivelatore di radiazioni planare
19
Una notevole proprietà dei rivelatori a semiconduttore è il piccolo valore (~3 eV)
necessario per creare una coppia di portatori di carica, valore che è circa 1/10 di quello
necessario per creare una coppia ione-elettrone in un gas. Tra i materiali più impiegati
sono il silicio (Si), che per la sua bassa conduttività può essere usato a temperatura
ambiente, e il germanio (Ge). Il germanio presenta una piccola differenza di energia tra
le bande di conduzione e di valenza e quindi, alla temperatura ambiente, presenta una
discreta conduttività. I cristalli di germanio vengono perciò raffreddati alla temperatura
dell'azoto liquido (77 K).
Rivelatori planari
Questo tipo di rivelatori di radiazione sono stati i primi ad essere realizzati e quelli di
più elementare costruzione, infatti ormai ne troviamo moltissimi nelle più diverse
applicazioni. Strutturalmente sono dei diodi a giunzione p-n, dove appunto gli elettrodi
sono situati solo sulla superficie (vedere Figura 9). In particolare questi tipi di rivelatori
sono molto simili a dei fotodiodi e possono essere caratterizzati con sorgenti laser a
determinate lunghezze d’onda trasformando l’energia della luce in una corrente
elettrica.
Principio di funzionamento
Quando un fotone colpisce la parte sensibile del rivelatore di radiazioni, eccita un
elettrone, che spostandosi di livello ne lascia uno vuoto detto lacuna. Le lacune si
spostano verso l’anodo e gli elettroni verso il catodo creando una corrente. Vi sono vari
metodi di utilizzo del fotodiodo:
Metodo fotovoltaico: consiste nell’utilizzarlo con tensione di polarizzazione
(bias) nulla, ciò significa che la corrente uscente sarà ridotta. Il diodo viene
polarizzato formando così una “corrente di buio” che scorre nella giunzione in
direzione opposta alla corrente.
Metodo fotoconduttivo: consiste nell’utilizzo del rivelatore con tensione di
polarizzazione inversa.
Il metodo fotovoltaico è molto utilizzato in ambito industriale dove l’utilizzo di una
tensione di polarizzazione potrebbe comportare l’iniezione di disturbi, e d’altra parte
20
sono normalmente in gioco potenze della radiazione incidente piuttosto alte e può
bastare una bassa velocità di risposta. Il metodo fotoconduttivo è utilizzato dove
vengono richieste alte velocità di risposta e maggiori sensibilità.
La polarizzazione inversa utilizzata nel metodo fotoconduttivo permette di raccogliere
più rapidamente la carica dato che all’interno del rivelatore si forma un campo elettrico.
Nei rivelatori a polarizzazione inversa bisogna considerare anche una corrente, detta
“corrente di buio”(dark current), che si forma per effetti termici.
Tipologie di rivelatori
Pad detectors
Sono rivelatori molto elementari, costituiti soltanto da una connessione metallica sia al
catodo che all’anodo. Possono essere usati per misurare l’intensità o lo spettro delle
radiazioni, ma non forniscono direttamente la risoluzione spaziale quindi si è pensato di
suddividere l’elettrodo frontale in più zone a strip o a pixel.
Strip detectors
In questa tecnologia di rivelatori detti a microstriscia, l’anodo viene suddiviso in serie di
strisce larghe poche decine di micrometri e lunghe non più di qualche centimetro
(vedere figura 10 sx). Ognuna di esse viene polarizzata inversamente alla medesima
tensione, ma comunque la radiazione incidente non viene perfettamente localizzata dato
che la carica viene raccolta da più strisce. Ogni striscia ha un
canale di lettura
indipendente collegato ad un multiplexer. La precisione del rivelatore dipende dalla
distanza tra le strisce, normalmente di poche decine di micron e da come viene
implementato il readout.
Figura 10: Sezioni schematiche di rivelatori a strip singola faccia (sx) e di rivelatori a pixel (dx)
21
Se il readout è digitale allora la sua precisione dipende dal pitch (distanza tra le strisce)
che segue l’equazione:
Se viene utilizzato il readout analogico il pitch è abbastanza piccolo( p.e. 10
), dove
la carica del segnale viene raccolta su più di una striscia e la coordinata viene ricostruita
tramite interpolazione. Lo svantaggio principale degli strip detectors è dovuto all’alta
capacità delle microstrisce che impone l’utilizzo di preamplificatori a bassissimo
rumore. Inoltre un elevato numero di strip aumenta e complica l’elettronica del sistema
di lettura. Invece il vantaggio principale di questo tipo di rivelatori è l’area attiva molto
ampia (alcuni cm2) e la buona risoluzione spaziale (fino a pochi micron). Esistono
anche rivelatori a strip doppia faccia per ricostruire entrambe le coordinate della
posizione di impatto delle particelle.
Pixel detectors
I rivelatori di radiazioni con struttura a pixel hanno una costruzione molto simile ai
rivelatori a strip, solo che in questo caso l’anodo non viene diviso in semplici strisce ma
in una matrice bidimensionale di diodi PIN, ognuno dei quali ha un suo canale di
readout dedicato, permettendo così di ricostruire le coordinate x-y (vedere figura 10 dx).
Rispetto ai rivelatori a strip doppia faccia, i pixel detector presentano il vantaggio di non
avere strutture sul lato ohmico questo permette che la loro costruzione risulti più
semplice, ma nello stesso tempo può complicare l’assemblaggio e l’elettronica di lettura
perché in questo caso ogni pixel deve essere collegato ad un suo canale di lettura
indipendente. Questa operazione viene normalmente eseguita tramite bump bonding e
flip chip assembly. La struttura a pixel permette di avere un elevata risoluzione spaziale
ed un elevata precisione.
Danno da radiazione
I rivelatori essendo esposti sempre a grandi quantità di radiazioni risentono di vari tipi
di danneggiamento che degradano o addirittura compromettono il funzionamento del
detector. Qui a seguito riporteremo i principali effetti al danno da radiazione nei
semiconduttori al silicio.
22
Danno superficiale
La superficie del detector è composta da strati di isolante ( normalmente
) dove la
radiazione interagisce coi legami creando così coppie elettrone-lacuna. I danni da
radiazione che avvengono nell’ossido sono diversi da quelli che avvengono nel silicio,
infatti i due materiali avendo una struttura reticolare differente e diversi band gap,
comportano diversi effetti.
Esistono principalmente due effetti:
Aumento di densità di carica fissa nell’ossido
Aumento della velocità di generazione/rigenerazione sulla superficie.
Questi effetti portano alle seguenti conseguenze:
Breakdown anticipato: esiste la possibilità di non riuscire a completare lo
svuotamento del dispositivo prima che avvenga la scarica inversa, utilizzando
però guard ring (anelli di guardia) multipli che catturano eventuali correnti è
possibile limitare questo problema.
Rischio di interferenze fra elettrodi di tipo n. È possibile ovviare a questo
problema utilizzando la tecnologia di isolamento p-spray o p-stop.
Aumento della capacità del dispositivo con conseguente aumento del rumore.
Aumento corrente di leakage con conseguente aumento del rumore dovuto alla
ricombinazione/generazione sulla superficie.
Danno di substrato
Il substrato viene completamente attraversato dalla radiazione ciò significa che viene
anche’esso danneggiato. Tali danni hanno i seguenti effetti:
Aumento della corrente di leakage
Aumento della densità efficace dei droganti
Riduzione dell’efficienza di raccolta della carica a causa del trapping
23
Questi effetti significano una diminuzione del rapporto segnale rumore nel dispositivo.
Le soluzioni al danno da radiazione sono principalmente due :
Utilizzare differenti materiali più resistenti
Cambiare l’architettura del rivelatore prevedendo una possibile tecnica per
migliorare la resistenza al danno da radiazione.
24
Capitolo 3
Rivelatori di radiazioni ad elettrodi
tridimensionali
I rivelatori per radiazioni ad elettrodi tridimensionali sono stati sviluppati con l’intento
risolvere i problemi che si incontrano con i rivelatori planari. Questi dispositivi sono
stati ideati da Sherwood Parker [2] nel 1997. L’idea originale prevedeva l’utilizzo di
array di elettrodi tridimensionali penetranti verticalmente nel bulk del detector, con
l’obiettivo di ridurre le distanze e i tempi di raccolta (figura 11).
Figura 11: Prospettiva diodo 3D-DDTC
La tecnologia tridimensionale permette di ridurre a pochi micron la distanza tra gli
elettrodi; ciò permette lo svuotamento del substrato già a basse tensioni, a differenza dei
rivelatori planari dove sono normalmente necessarie tensioni di alcune decine di volts.
Inoltre ciò consente che la carica venga raccolta più velocemente [4]. Questi detector
hanno un’area morta ai bordi molto inferiore in confronto ad altri rivelatori e risultano
essere anche molto resistenti al danno da radiazione, condizione necessaria per il loro
utilizzo nei acceleratori di particelle di ultima generazione. L’idea iniziale di Parker era
quella di costruire degli elettrodi perpendicolari alla superficie del substrato
attraversandolo completamente così da permettere una più veloce raccolta di carica,
minor tensione di polarizzazione ed una più alta resistenza al danno da radiazione. Gli
elettrodi a colonna sono sia di drogaggio di tipo n che di tipo p, questo significa che le
linee di campo elettrico andranno da una colonna ad una di segno opposto. In questi
detector il campo elettrico che si forma può essere modificato variando la tensione di
25
polarizzazione inversa in modo incrementare la regione di svuotamento. Questo tipo di
architettura comporta alcuni svantaggi:
Le colonne sono regioni parzialmente morte perché essendo molto drogate la
vita dei portatori al loro interno è molto breve, la carica infatti tende a
ricombinarsi molto velocemente quindi in buona parte persa.
Le zone che sono esattamente a metà tra due colonne dello stesso tipo sono a
campo nullo, in tali regioni la carica generata dalla radiazione deve muoversi
verso le regioni a campo maggiore per diffusione (lentamente).
Gli elettrodi colonnari avendo capacità maggiore di quelli planari vanno ad
incrementare il rumore.
3D-STC Rivelatori tridimensionali a singola colonna
Questo tipo di rivelatori sviluppati presso FBK in collaborazione con INFN, sono stati
creati con l’idea di semplificare l’idea originale di Parker [2]. In questi detector gli
elettrodi tridimensionali sono solo di un tipo di drogante (single type column) e non
attraversano completamento il substrato (vedere figura 12). Questo permette di facilitare
il processo produttivo, infatti gli elettrodi vengono drogati tutti in una volta, non viene
perforato tutto il substrato, non bisogna utilizzare wafer di supporto e non si rischia di
rompere il wafer nella perforazione. Inoltre gli elettrodi non sono riempiti con silicio
policristallino, le colonne sono quindi regioni morte. Uno dei principali svantaggi dei
rivelatori a singola colonna è che una volta raggiunto lo svuotamento laterale tra le
colonne non è possibile controllare il campo elettrico modificando la tensione di
polarizzazione. L’unico metodo per poter controllare il campo elettrico è modificare la
concentrazione di drogante nel substrato ma questo porta ad avere regioni a basso
campo più estese. Rispetto ai rivelatori pensati da Parker, questi rivelatori non sono
altrettanto performanti perché coinvolgono fenomeni di diffusione rallentando quindi la
raccolta di carica. Il meccanismo di svuotamento è identico ai diodi 3D standard dove la
regione di svuotamento si estende lateralmente all’aumentare della tensione di
polarizzazione. L’unica differenza è data dal fatto che, essendo che le colonne non
attraversano completamente il substrato, rimane una regione sotto gli elettrodi dove lo
svuotamento risulta più lento ed è più simile a quello dei rivelatori planari. Nei
rivelatori fabbricati a FBK, le colonne hanno una profondità tra i 150 e 180 µm e lo
spessore del substrato varia tra 200 e 300 µm.
26
Figura 12: Rappresentazione tridimensionale di un diodo 3D STC
3D-DDTC Rivelatori tridimensionali a doppia colonna
Questa nuovo tipo di architettura è stata pensata per migliorare le prestazioni dei
rivelatori a singola colonna però mantenendo parte della loro semplicità costruttiva. I
rivelatori 3D double sided double type column (detti 3D-DDTC), sono dei detector che
hanno due elettrodi con differenti tipi di drogaggio realizzati da entrambi i lati [3]. Le
colonne hanno normalmente diametro di 10
e la distanza fra di esse può essere
scelta in fase di fabbricazione ( solitamente tra 80 e 100
). Le colonne vengono
scavate tramite il processo denominato DRIE ( Deep Reacting Ion Etching) che
consente di scavare colonne con ottimi rapporti profondità/diametro (~ 1:20, vedere
figura 13). In particolare la struttura è composta da un substrato drogato P, le colonne di
giunzione N sono scavate dalla parte superiore del wafer, mentre quelle P dalla parte
inferiore (vedere Figura 14).
Gli svantaggi principali sono la mancanza di bordo attivo e anche in questo caso il fatto
che gli elettrodi sono delle zone morte. Inoltre abbiamo quelle zone tra la punta delle
colonne e la superficie opposta che rimangono a basso campo. I vantaggi in confronto ai
detector 3D-STC dovrebbero essere maggior corrente e tempo di raccolta più breve e se
la distanza tra le colonne e la superficie opposta rimane abbastanza contenuta possiamo
paragonare le prestazioni con i rivelatori 3D classici ( Full -3D ovvero con le colonne
completamente passanti).
27
Figura 13: Sezione al microscopio elettronico delle colonne di un diodo 3D-DDTC
Figura 14: Sezione della struttura a doppia colonna del diodo 3D-DDTC
Fabbricazione
Il processo di fabbricazione che verrà qui a seguito descritto è quello dei rivelatori 3DDDTC fabbricati in FBK nel primo lotto denominato 3D-DTC-1. Con l’ausilio della
28
figura 15, i principali passi tecnologici coinvolti possono essere così riassunti:
Figura 15: Fasi del processo produttivo di un diodo 3D-DDTC
Per prima cosa viene depositato una strato di ossido che servirà per proteggere
dall’operazione di DRIE sul lato posteriore, in seguito vengono eseguiti dei fori
dove si vogliono posizionare le colonne N e viene eseguito il DRIE.
Viene rimosso l’ossido dal retro del wafer, in seguito viene diffuso del fosforo
all’interno delle colonne e sulla superficie inferiore. Si deposita poi un piccolo
strato di ossido per non permettere la fuoriuscita del drogante. I fori non
vengono completamente riempiti.
Per la formazione della regione P viene deposto un strato di ossido di
schermatura al lato anteriore, eseguiti dei fori nei punti dove si vogliono le
colonne e quindi eseguita la seconda operazione di DRIE.
Viene rimossa una regione circolare attorno al foro delle colonne, viene eseguito
un impianto di Boro all’interno delle colonne e sulla superficie circolare rimossa
29
precedentemente. Tutto questo serve per facilitare la creazione del contatto.
Viene depositato un altro strato di ossido sia all’interno che all’esterno delle
colonne. Si deposita un altro strato di ossido (TEOS).Vengono definite le
posizioni dei fori ed eseguiti. Si deposita uno strato di alluminio che forma il
contatto.
Viene depositato uno strato finale di passivazione al lato anteriore, sul lato
posteriore si rimuove lo strato di ossido e si depone l’alluminio per creare un
contatto metallico uniforme. Infine si crea l’accesso allo strato di metallo
attraverso lo strato di passivazione sul lato anteriore.
Diodo 3D-DDTC funzionamento
I diodi 3D presi in esame per i nostri esperimenti sono i 3D-DDTC. In figura 16 è
riportato un quarto di cella del diodo. Questo dispositivo, come precedentemente
spiegato, è composto da colonne perforate su entrambi i lati del wafer tramite il
processo di perforazione DRIE. Il wafer di silicio ha uno spessore di 220µm con un
. L’elettrodo è formato da una serie di
drogaggio del substrato di tipo p di
colonne interconnesse, create perforando superiormente il wafer; ha un drogaggio di
tipo
, con una concentrazione di atomi accettori di
,è profondo
120µm e con un diametro di 10µm. L’elettrodo perforato inferiormente, anch’esso
formato da una serie di colonne interconnesse, invece ha un drogaggio di tipo
una concentrazione di atomi
, con
, è profondo 190 µm e con un diametro
di 10 µm. La distanza fra due colonne dello stesso tipo è di 80µm per una tipologia di
detector e di 100µm per l’altra. I diodi da 80 µm formano array di colonne da
mentre quelli da 100 µm formano array da
.
30
,
Figura 16: Particolare tridimensionale del diodo 3D-DDTC da 80 µm e sezione
Nelle figure 17 e 18 si può notare che i diodi sono formati da una struttura quadrata di
metallo che è in contatto con un esterno array di colonne e agli angoli sono poste
quattro piazzole per il probing/bonding. All’esterno vi è inoltre una regione che è
composta da due file di colonne collegate da una superficie di tipo
e metallizzata.
Sulla parte inferiore del diodo abbiamo il contatto ohmico che è formato da un’array di
colonne
. Queste colonne sono tutte connesse da una superficie drogata e
metallizzata.
Figura 17: Diodo intero
31
Figura 18: Particolare del diodo 3D-DDTC
In figura 19 viene mostrata la sezione di un diodo 3D-DDTC ottenuta tramite un
microscopio laser. Si può notare come le colonne dei due tipi di drogaggio
e
siano inserite nel substrato senza però attraversarlo interamente. La regione compresa
tra colonne di drogaggio differente sarà la zona dove avremo il campo elettrico più
elevato e la conseguente maggior raccolta di carica.
Figura 19: Sezione diodo 3D-DDTC
32
Possibili applicazioni
Questi rivelatori hanno come scopo principale gli esperimenti per fisica delle alte
energie infatti, essendo molto resistenti al danno da radiazione, il loro impiego potrebbe
risultare fondamentale negli acceleratori di particelle. Il modo più comunemente
impiegato per emulare le particelle ad alta energia in esperimenti di laboratorio è quello
basato sull’impiego di sorgenti beta. Nel nostro caso, si è optato per caratterizzare i
rivelatori con particelle alfa in previsione di un impiego per una applicazione diversa.
Uno studio di alcuni ricercatori dell'Istituto di Fisica Sperimentale ed Applicata di Praga
[7],[8], ha analizzato i fenomeni occorsi in un rivelatore planare al silicio accoppiato ad
uno strato di Fluoruro di Litio deposto sulla superficie. Se colpito da un fascio di
neutroni questo elemento emette una particella alfa e una particella T, che possono
essere rivelate nel sensore in silicio sottostante, ma mai contemporaneamente (vedere
figura 20 sx).
Figura 20: Schematico di rivelatore planare di neutroni con convertitore in LiF e possibile alternativa 3D con
colonne riempite di LiF
Nel caso di un rivelatore 3D l'idea è di riempire le colonne di Fluoruro di Litio (figura
20 dx) in modo che la particella alfa e T emesse dopo il passaggio del neutrone vengano
rivelate entrambe qualunque sia l’angolo di emissione. L'aspetto più pratico è l'utilizzo
per il controllo all'interno dei reattori nucleari dove si presenta una forte concentrazione
di neutroni e per applicazioni di imaging industriale.
33
Capitolo 4
Esperimenti di laboratorio
Settaggio sperimentale dell’esperimento con diodi laser
Gli esperimenti con i diodi laser sono stati eseguiti nel laboratorio di elettronica del
Dipartimento di Ingegneria e Scienza dell’Informazione dell'Università di Trento, dove
per caratterizzare i diodi tridimensionali a doppia colonna sono stati utilizzati i seguenti
strumenti di precisione:
Keithley 6487, sorgente di tensione particolarmente stabile.
Agilent 4156c, sorgente di tensione/corrente con possibilità di alimentazione
duale variabile(+-25,+6).
Tektronix tds 3012, oscilloscopio permette la visualizzazione dei segnali in
ingresso(100Mhz,1,25Ghz).
Agilent 33220a, generatore di forme d’onda.
Amplificatore “Andreis Franco”.
Laser driver “Zeni”.
Oscilloscopio Tektronic tds 3012
L'oscilloscopio è uno strumento di misura elettronico che consente di visualizzare, su un
grafico bidimensionale, l'andamento temporale dei segnali elettrici e di misurare
abbastanza semplicemente tensioni, correnti, potenze ed energie elettriche (vedi fig.21).
L'asse orizzontale del grafico solitamente rappresenta il tempo, rendendo l'oscilloscopio
adatto ad analizzare grandezze periodiche. L'asse verticale rappresenta la tensione. La
frequenza massima dei segnali visualizzabili, così come la risoluzione temporale,
ovvero la più rapida variazione rilevabile, dipende dalla banda passante dello strumento,
a sua volta dipendente dalla qualità e in ultima analisi dal costo. Si spazia dalle decine
di MHz adatti per lavorare con segnali audio e televisivi, ai costosi modelli digitali da
34
diversi GHz.
Figura 21: Oscilloscopio Tektronic tds 3012 utilizzato
Generatore di forme d'onda Agilent 4156c
Il generatore di forme d'onda è un'apparecchiatura elettronica in grado di generare un
segnale elettrico con caratteristiche scelte a priori dall'operatore; il segnale, ai fini
dell'utilizzo dell'apparecchiatura, può essere considerato stabile e preciso. Queste
apparecchiature, anche se non possono effettuare direttamente letture di grandezze
elettriche, possono considerarsi a tutti gli effetti strumenti di misura in quanto, con esse,
si possono effettuare delle misure per confronto oppure costituire un campione
materiale di una grandezza elettrica. Tramite appositi pulsanti è possibile selezionare il
tipo di forma prescelto (esempi:onda quadra, impulso, etc..) e attraverso manopole è
possibile regolare le caratteristiche del segnale quali frequenza, periodo, intensità,
durata e potenza.
Figura 22: Generatore di forme d'onda Agilent
35
Amplificatore “Andreis”
La carica del segnale in uscita dal diodo tridimensionale è di piccole dimensioni, quindi
si ha bisogno di un amplificatore che permetta di visualizzare una differenza di
potenziale sull’oscilloscopio. L’amplificatore permette di trasformare il debole segnale
di carica in entrata in un segnale di tensione. Per le caratteristiche del diodo questo
amplificatore è stato progettato per seguire le variazioni repentine del segnale. Il
circuito prevedeva un piedino per la tensione di polarizzazione (BIAS), un piedino per
l’alimentazione dell’amplificatore, un piedino di uscita ed ai supporti per il diodo 3DDDTC. Le caratteristiche dell’amplificatore “Andreis”sono:
V_power: 0 - 15V
V_power_utilizzata: 8V
Figura 23: Amplificatore "Andreis Franco"
36
Laser driver “Zeni”
I diodi laser vengono comandati da un driver costruito appositamente per l’esperimento
(vedi fig.24). Al driver viene dato in ingresso un segnale generato del generatore d’onda
che viene filtrato risultando di una durata di circa 1 ns. Il driver per risultare veloce
mantiene l’alimentazione del diodo ad un tensione leggermente inferiore a quella di
soglia del diodo laser. Sul circuito è possibile modificare una resistenza che permette di
controllare la corrente in uscita dal driver. Le caratteristiche laser driver “Zeni”
effettuate con il diodo laser 980 nm sono:
V_alimentazione: 15.00V
Ibias(without laser - no impulse): 12mA
Ibias( no impulse): 32mA
Ibias (with impulse): 59mA
Vimpulse: 4Vpp
Freq: 100Hz
Duty cycle: 50%
Figura 24: Laser driver “Zeni”
37
Diodi 3D-DDTC
Sono stati esaminati diodi tridimensionali a doppia colonna di tre tipi:
Diodo con distanza tra le colonne di 80
.
Diodo con distanza tra le colonne di 80
interconnesse da strisce
metallizzate.
Diodi con distanza tra le colonne di 100
.
Figura 25: Basetta di supporto in vetroresina con montati diodi da 100um
Le caratteristiche strutturali del diodo sono:
Wafer thickness: 220 um
Front column depth: 120 um
Back column depth: 210 um
38
Figura 26: Immagine ingrandita del diodo 3D-DDTC
Laser
Diodi laser a semiconduttore utilizzati :
Diodo laser con lunghezza d’onda da 630 nm
Diodo laser con lunghezza d’onda da 850 nm
Diodo laser con lunghezza d’onda da 980 nm
Diodo laser con lunghezza d’onda da 1060 nm
Configurazione dell’esperimento
Gli esperimenti sono stati realizzati nel laboratorio di elettronica del Dipartimento di
Ingegneria e Scienza dell’Informazione dell'Università di Trento, utilizzando il seguente
ambiente di test: sul banco ottico sono stati collegati tutti gli strumenti di laboratorio
descritti precedentemente da un lato per fornire i segnali in ingresso e dall’altro per
misurare il segnale in uscita oltre alle alimentazioni necessarie.
Come illustrato in figura 29 il segnale viene creato dall’Agilent 33220a, generatore di
forme d’onda, che viene collegato al Laser driver “Zeni” che serve a pilotare uno dei
nostri diodi laser. Il driver “Zeni” è opportunamente alimentato da un generatore di
tensione. Il raggio laser emesso dal diodo viene fatto collimare attraverso una serie di
lenti in una fibra ottica.
39
Figura 27: Supporto per fibra ottica e lenti collimanti con regolazioni micrometriche
Successivamente la fibra viene posizionata su un sistema di posizionamento calibrato
per la regolazione di precisione (vedi fig.27). Questo sistema consente di spostare il
raggio laser con una precisione di dieci micron in orizzontale ed in verticale lungo
l’area del rivelatore in modo da poterla testare in ogni punto. Il rivelatore una volta
illuminato emette un segnale che passando attraverso un amplificatore veloce viene
inviato
all’oscilloscopio.
Sull’oscilloscopio
viene
visualizzato
un
segnale
corrispondente alla quantità di carica raccolta dal rivelatore a seguito della radiazione
laser ricevuta.
Figura 28: Supporto mobile motorizzato
40
Figura 29: Schema esplicativo dell’esperimento
41
Sistema di generazione della radiazione
La scelta relativa alla radiazione incidente è stata quella di utilizzare una serie di diodi
laser (vedi fig.30). Ogni laser produce un irraggiamento del rivelatore con diverse
lunghezze d’onda. Ad ogni lunghezza d’onda corrisponde una certa profondità di
penetrazione del rivelatore. I laser impiegati sono stati quattro:
Il laser da 630nm emette una radiazione nel visibile che viene assorbita
in pochi micron nella zona superficiale del rivelatore.
Il laser da 850nm emette una radiazione che non attraversa
completamente il substrato del rivelatore ma permette di penetrare
maggiormente.
Il laser da 980nm penetra nel substrato fino a circa 100 micron che nel
caso dei dispositivi di test corrisponde circa ad un terzo del totale (circa
300 micron).
Il laser da 1060nm attraversa tutto il dispositivo.
Il diodo laser viene fissato su una base montata su un calibratore che consente di
posizionarlo in maniera precisa. Il diodo viene alimentato dal driver “Zeni” con
opportuni cavi di collegamento. All’ingresso del driver del laser, tramite un connettore
BNC viene applicato un segnale ad onda quadra (normalmente con ampiezza 4V)
fornito dal generatore d’onda. Il segnale serve a sincronizzare gli impulsi di luce laser
emessa dal diodo.
Il fascio luminoso in uscita dal diodo viene fatto collimare attraverso un opportuna serie
di lenti in modo da poterlo inviare nella fibra ottica. Attraverso un sistema di
calibrazione manuale si può focalizzare al meglio il fascio. Per la verifica del
allineamento del fascio viene misurata la potenza uscente tramite un opportuno
strumento.
42
Figura 30 : Diodo laser
Fibre ottiche
Sono state utilizzate differenti fibre ottiche in corrispondenza dei quattro differenti tipi
di diodi laser. Ogni fibra corrisponde ad una differente lunghezza d’onda. L’utilizzo
della fibra consente una precisa regolazione del fascio laser, infatti è facilmente
posizionabile date le sue caratteristiche.
Il sistema di posizionamento della fibra ottica e costituito da una base dove viene
collocata la fibra tramite un opportuno connettore e due motorini che permettono lo
spostamento della base medesima. I motori vengono controllati tramite due joystick che
consentono i movimenti orizzontali e verticali ( vedi fig.31).
Figura 31: Joystick di controllo per il supporto della fibra ottica
Rivelatore
I rivelatori sono montati su una scheda costruita su misura, che viene a sua volta
posizionata su una base di appoggio e collegamento. Su ogni schedina vi sono due
rivelatori. Per le prove si utilizza un solo rivelatore sul quale si fa incidere la luce
43
usando un collimatore, posizionato a pochi mm dal detector, che la focalizza su una
regione di pochi µm. Il rivelatore ha tre terminali che corrispondono a:
Tensione di uscita
Tensione di polarizzazione
Guard ring
Il terminale d’uscita viene connesso ad un amplificatore che permette di amplificare il
segnale che viene poi inviato all’oscilloscopio.
La tensione di polarizzazione inversa viene fornita da un generatore di tensione
Keithley 6487 particolarmente stabile.
Il rivelatore svolge fondamentalmente tre operazioni:
Assorbimento della luce, causa della formazione di una coppia elettrone-lacuna.
Trasporto di carica nel sensore verso gli elettrodi.
Rivelazione della carica tramite circuiti di uscita o readout.
Assorbimento
L’assorbimento del fotone avviene solo per energia superiore a quella del bandgap (per
il silicio Eg= 1,12 ev a 25°C). Il fotone deve avere un energia tale da scalzare un
elettrone dalla propria nuvola elettronica e farlo passare in banda di conduzione. Il
fotone avendo massa nulla viene descritto in forma ondulatoria ed ha energia legata alla
propria frequenza lambda ed ha un fattore costante h (cost.Planck).
Quest’energia viene trasferita dal fotone all’elettrone in banda di valenza. Essendo il
silicio un semiconduttore a gap indiretto, occorre un momento addizionale per la
transizione di banda, che non può essere fornito dal fotone. Questo contributo viene
svolto dal fonone, una particella presente nel reticolo sotto forma di vibrazione termica.
La massima lunghezza d’onda che può venire assorbita dal silicio è legata all’energy
gap ed è:
44
Settaggio sperimentale dell’esperimento con particelle alfa
Gli esperimenti con particelle alfa sui rivelatori 3D-DDTC, sono stati condotti nel
laboratorio di elettronica del Dipartimento di Ingegneria e Scienza dell’Informazione
dell'Università di Trento con la seguente apparecchiatura:
Keithley 6487, alimentatore stabilizzato di tensione continua;
Agilent 4156c, alimentatore di tensione stabilizzato con tensione duale (+/- 25V)
e singola (+6V) ;
ZT4211, oscilloscopio elettronico della ZTEC da computer con larghezza di
banda 300MHz, memoria interna da 256 Mbyte con possibilità di registrare
256M campioni, cavo di rete e software per il controllo;
Amptek 250 pre-amplificatore veloce di carica, svolge il compito di integrare la
corrente proveniente dal detector restituendo un segnale di tensione che contiene
nella sua ampiezza l'informazione riguardo alla quantità di carica raccolta;
Shaper “Besnik”: filtra il segnale del CSA rendendolo un impulso di forma
pseudo-gaussiana con FWHM (Full Width Half Maximum) di circa 20ns;
Sorgente di americio radioattivo Am 241 che emette particelle alfa a circa
5MeV;
45
Descrizione dei dispositivi
Diodi 3D_DDTC
Sono stati esposti a radiazione i seguenti diodi:
Diodo con distanza tra le colonne 80 µm e interconnessione a metallizzazione;
Diodo con distanza tra le colonne 100 µm e interconnessione tra le colonne a
metallizzazione;
Figura 32: Diodi 3D-DDTC montati su package
Amptek 250 (charge sensitive amplifier)
L'Amptek 250 è un pre-amplificatore di carica che consente di amplificare il debole ma
veloce segnale in corrente in uscita dal diodo in un impulso in tensione proporzionale
alla quantità di carica raccolta.
Questo dispositivo presenta svariate caratteristiche interessanti:
Il transistor FET che gestisce il primo stadio di amplificazione è esterno, per
consentirne l'intercambiabilità a seconda della capacità del detector utilizzato.
Inoltre può essere raffreddato autonomamente per ridurre il rumore.
Fornisce un'uscita del segnale molto pulita in quanto il rumore è di appena un
centinaio di elettroni RMS
Assorbe poca potenza, nell'ordine di 17mW;
46
Schema del circuito e descrizione del funzionamento
Il preamplificatore di carica Amptek 250 è montato su una scheda PCB di test fornita
dal produttore. Il circuito utilizzato è mostrato di seguito:
Figura 33: Schema circuitale del pre-amplificatore Amtek 250
Osservando lo schema si notano subito le due alimentazioni, +Vs Input e -Vs input che
sono collegate all'A250 tramite dei filtri passa basso per isolare la componente continua
da eventuali disturbi presenti sulla tensione fornita dai generatori. I due ingressi del preamplificatore sono:
Detector in: è l'ingresso a cui collegare il rivelatore 3D ed è direttamente
connesso al transistore FET. Il diodo da 80µm è stato utilizzato con questa
configurazione mentre, quello da 100um è stato collegato in modalità AC inserendo un
capacità prima del FET perché la sua corrente di leakage era troppo elevata, così
facendo è stato possibile eliminare la componente continua della corrente di ingresso
che poteva causare un malfunzionamento dell'A250.
Test in: consente all'utente di verificare l'effettivo funzionamento del pre-
amplificatore. Viene dato in ingresso un impulso di tensione tramite un generatore
d'onda, il circuito composto da R5 e C9 converte l'impulso di tensione in uno di carica
47
secondo la relazione:
dove
è l'ampiezza dell'impulso. La resistenza fa in modo di ridurre la
tensione in ingresso in modo da non portare in saturazione il FET. Il CSA restituirà poi
un impulso di ampiezza proporzionale alla carica data in ingresso.
Transistor FET esterno: il dispositivo 2SK152 consente la regolazione della
tensione in ingresso al CSA proporzionalmente alla carica in ingresso ed è posto
esternamente perchè in particolari condizioni d'uso, con altri detector,necessita di essere
cambiato(fattore determinato dalla capacità del rivelatore)e di un raffreddamento
autonomo per aumentare la conducibilità e ridurre i rumori.
Il condensatore collegato tra il gate del FET e l'uscita dell'operazionale
determina la tensione di uscita in base alla legge:
; Il canale di feedback si può
selezionare interno al pre amplificatore semplicemente connettendo con un ponte uno
dei jumper prestabiliti (J1,J2,J3)oppure selezionando J4 si possono scegliere e installare
il condensatore e la resistenza di feedback esterni, in caso si voglia modificare il valore
di guadagno a seconda delle necessità.
Nel caso trattato si è utilizzato il primo ramo di feedback che presenta un condensatore
da 1pF e resistenza da 300Mohm.
E' presente inoltre la rete di polarizzazione del rivelatore, segnata come opzionale. Nel
setup utilizzato ci si è avvalsi di una rete esterna più vicina al diodo, composta da un
filtro passa basso passivo per eliminare eventuali disturbi calcolato con ft pari a 1Hz.
Invertendo la formula e scegliendo a piacere il valore della resistenza, si calcola il
valore della capacità del filtro.
48
Problematiche incontrate durante le prove con l’Amptek
A250
L'elevata sensibilità dell'amplificatore nel corso degli esperimenti ha portato a risolvere
delle problematiche interessanti. In un primo momento la distanza troppo elevata tra il
detector e l'ingresso dell'Amptek comportava un segnale poco pulito e a volte
irriconoscibile poiché le onde elettromagnetiche nell'aria si concatenavano con il filo
che connetteva i due dispositivi facendo un effetto antenna che cambiava il vero
ingresso, nonostante l'intero sistema fosse all'interno di una scatola di metallo collegata
a massa. Grazie a un cavo schermato e riducendo drasticamente la distanza fra i due
elementi sono state effettuate delle prime misure accettabili.
Si sono quindi effettuate le misure con il diodo da 80µm e si sono ottenuto dei risultati
interessanti. Alcuni problemi sono stati riscontrati effettuando le misure con il
dispositivo con pitch di 100µm, infatti non si riusciva a salire con la tensione di bias
oltre gli 8V, tensione oltre la quale l'uscita del pre-amplificatore diventava nulla. Per
comprendere da dove provenisse questo problema si è proceduto per step successivi:
è stata misurata la curva corrente tensione del rivelatore con uno strumento
chiamato HP4145 , un misuratore di parametri per dispositivi al silicio, per
verificare che non vi fossero segni di break-down anticipato. La misura ha
consentito di verificare che il dispositivo era ancora funzionante nonostante la
sua corrente di leakage fosse abbastanza elevata e presentasse un deciso
incremento superati i 10V di polarizzazione inversa (la corrente era elevata ma
non tale da innescare il break-down).
In generale le prestazioni dei preamplificatori di carica possono essere
compromesse se la corrente che giunge loro in ingresso è troppo elevata, è stato
quindi deciso di ripetere la misura accoppiando in AC detector e
preamplificatore tramite una capacità da 10nF. Questo accorgimento ha
permesso di risolvere il problema riscontrato e di procedere con le misure.
49
Shaper
Lo “shaper” anche detto “filtro formatore”, ha principalmente la funzione di rigettare le
componenti di rumore al di fuori della banda del segnale di interesse. Lo spettro in
frequenza di segnale e rumore sono diversi, per cui si può migliorare il rapporto
segnale-rumore con un filtro che tagli la risposta in frequenza a favore del segnale
attenuando il rumore. Cambiando la risposta in frequenza si varia la risposta temporale
e la sagoma dell'impulso per cui tale procedura è detta formatura dell'impulso. Esistono
vari tipi di filtri formatori, nelle applicazioni come quella in esame la tipologia preferita
è quella semi-gaussiana, la forma d'onda finale sarà dunque molto simile ad una
gaussiana. Un circuito formatore che fornisce un impulso semi-gaussiano può essere
ottenuto combinato opportunamente reti CR ed RC (tipicamente una rete CR e più reti
RC). Lo shaper utilizzato nelle misure in esame è composto essenzialmente da tre stadi
realizzati con amplificatori operazionali: il primo stadio è un filtro passa alto del primo
ordine mentre il secondo e terzo stadio sono due filtri passa basso del secondo ordine, la
catena completa forma quindi un filtro passa-banda. Le frequenza di taglio dei filtri
sono state scelte in modo da avere un tempo di formatura (tau) pari a 20ns. La scelta di
tali tempistiche deriva dal fatto che la velocità attesa per i detector investigati è elevata
ed è molto probabile che la componente predominante del segnale di uscita sia visibile
entro i 20ns.
50
Figura 34: Shaper "Besnik"
Descrizione del circuito e funzionamento dello shaper
Nel circuito di figura 34 si possono notare i tre stadi che compongono il circuito
formatore di impulso;
Figura 35: Schema circuitale dello shaper
Il circuito in figura è stato realizzato prendendo come spunto quello di un componente
commerciale della Cremat, il CR200, uno shaper semi-gaussiano con tempo di
formatura di 100ns. Essendo il tempo di formatura del CR200 troppo elevato per la
nostra applicazione è stato deciso di modificare i valori di alcuni componenti per
ottenere il tau desiderato. Il primo stadio è un filtro passa alto che raccoglie il segnale in
uscita dal preamplificatore di carica Amptek, serve per avere solo la componente di
segnale più veloce per trasferirla ai due integratori successivi. Il secondo e il terzo
stadio servono per formare la campana gaussiana in uscita dallo shaper, in quanto sono
due filtri passa basso di secondo ordine. L'ultimo passa basso passivo ha una frequenza
di taglio alta e serve per eliminare delle oscillazioni molto probabilmente dovute agli
51
operazionali.
Il tempo di shaping è stato settato a 20ns, e il dimensionamento dei componenti passivi
che regolano il valore di uscita di ciascun operazionale è stato ottenuto usando i
seguenti calcoli:
La frequenza di taglio del filtro è
Da cui ricavo TAU
Per ricavare i valori delle resistenze basta invertire la formula , fissare un valore
di resistenza e di conseguenza trovare il valore di C
Si procede analogamente anche per i filtri passa basso di secondo ordine tenendo
sempre il valore di tau a 20ns. Come ultima cosa si può notare che il fatto di utilizzare
componenti attivi ci consente anche di variare l'amplificazione dello shaper scegliendo
in modo appropriato il valore di alcune resistenze.
Oscilloscopio ZTEC ZT4211
L'oscilloscopio ZT4211 è lo strumento con il quale sono stati letti i segnali in uscita
prima dal pre-amplificatore di carica poi dallo shaper. E' equipaggiato con tecnologia
LXI (Lan eXtension for Instrumentation) che consente un veloce collegamento LAN tra
strumento e computer che lo amministra. E' caratterizzato da una larghezza di banda
massima di 300MHz e consente di visualizzare in tempo reale campioni fino a 1Gs/s
intervallati e 500MS/s non intervallati ma può arrivare fino a 100GS/s mostrando
l'equivalente o usando l'interpolazione. Altra caratteristica importante è la memoria da
256Mbytes che consente l'acquisizione di 256Mcampioni, 128Mcapioni per canale e
che consente tempi di acquisizione più lunghi.
52
Figura 36: Oscilloscopio Ztec Zt4211
Software utilizzati
La ditta ZTEC fornisce per il proprio oscilloscopio una serie di utility per ambiente
windows o linux, tra cui:
Zfind: questo programma consente di rilevare lo strumento nella rete LAN e
stabilire se esso è connesso e comunicante.
ZscopeM: costituisce l'interfaccia grafica vera e propria tra utente e
oscilloscopio. Semplice e intuitivo, si presenta come una consolle di un
oscilloscopio classico per quanto riguarda la gestione delle scale dei tempi e
divisioni con delle rotelle tipo analogico mentre le opzioni di trigger, misura e
opzioni acquisizione sono in un menù a cartelle sul basso della schermata.
Files eseguibili Ztec: questi file creati in ambiente C servono per l'acquisizione
dati nella memoria dell'oscilloscopio. Sono ottenuti da dei codici sorgente forniti
direttamente dall'azienda Ztec e consentono di ottenere varie modalità di
salvataggio dati come ad esempio la lettura del fronte di salita piuttosto che di
discesa. Essendo dei piccoli file .exe vanno eseguiti tramite consolle DOS e, la
modalità consiste nel richiamare il programma e inserire prima di eseguirlo il
numero di campioni che si vogliono acquisire e il livello del trigger al di sopra
del quale il dato viene letto e salvato. Le primitive fornite da Ztec consentono di
realizzare un elevato numero di funzioni differenti.
53
Ambiente di lavoro e setup sperimentale
I test sul diodo rivelatore 3D devono essere eseguiti in una stanza buia poiché il
dispositivo è molto sensibile alla luce ambientale naturale e artificiale. Per questo la
maggior parte del sistema di acquisizione tra cui la sorgente, il diodo rivelatore e il pre
amplificatore di carica sono stati inseriti all'interno di una scatola metallica
opportunamente cablata che consentisse una schermatura pressoché totale contro
qualsiasi disturbo elettrico e luminoso.
Un supporto rimovibile forato in fibra di vetro sostiene la sorgente a circa 8mm dalla
superficie del diodo il quale è montato a sua volta con dei piedini di rialzo a una basetta
forata.
Vi è presente qui un piccolo circuito RC che funziona da filtro passa basso per
l'alimentazione del piedino di BIAS calcolato con una resistenza fissata abbastanza
grande e imponendo la frequenza di taglio a 1Hz :
ricordando che
allora
Il piedino di guard ring deve essere collegato a massa, preferibilmente nella stessa
dell'Amptek ed è molto importante che il coperchio della scatola sia in contatto elettrico
con la massa del sistema. Il segnale che parte dal diodo è raccolto e inviato al pre
amplificatore con un cavo coassiale; lo shaper è stato posizionato esternamente per
evitare interferenze con il preamplificatore ma sempre inserito all'interno di una
scatolina chiusa di metallo e collegata a massa. Il collegamento per i segnali è affidato a
dei cavi coassiali schermati tipo BNC mentre le alimentazioni a dei semplici cavetti con
le estremità a banana. Prima di cominciare il test tutto il sistema di misura è stato
coperto con uno scatolone per garantire il buio totale attorno ad esso.
54
Figura 37: Visione interna della scatola schermata con il pre-amplificatore di carica e il supporto per il diodo
ed alimentazione di bias
Figura 38: Supporto forato per la sorgente di americio
55
Figura 39: Schema esperimento con particelle alfa
56
Test
Per effettuare la prova sui rivelatori, i dispositivi sopra descritti vengono interconnessi
tra loro come da figura rispettando i seguenti passi:
Si inserisce il diodo rivelatore 3D nella sua sede all'interno della scatola
metallica schermata e si fissa successivamente il supporto in fibra di vetro per la
sorgente di Americio 241;
Si settano i valori di tensione sull'alimentatore Agilent a +/- 6V per fornire
energia allo Shaper e al pre-amplificatore e si imposta lo strumento su “output
off” per interrompere l'alimentazione già configurata durante la fase di
allestimento della prova;
Si connettono i terminali dell'alimentatore Agilent con dei cavi a banana ai poli
d'alimentazione dell'Amptek predisposti sull'esterno della scatola di metallo
schermata;
Si setta a 0V il valore del Keithley e si connette con un BNC l’ingresso di Bias
predisposto sul lato della scatola di metallo schermata.
Si connettono in cascata l'uscita del pre-amplificatore all'ingresso dello shaper e
l'uscita di quest'ultimo nell'Oscilloscopio;
Si piazza la sorgente di Americio sopra il rivelatore chiudendo successivamente
il coperchio di metallo e coprendo il tutto con lo scatolone rovesciato;
Si dà tensione al sistema;
Dopo aver spento la luce si controlla sul computer che il settaggio dell'oscilloscopio sia
ottimale: usando l'interfaccia utente ZscopeM si settano le scale dei tempi e il trigger in
modo da visualizzare bene il segnale all'interno della schermata e soprattutto che questo
non fuoriesca da essa.
La prova si svolge variando due parametri fondamentali:
Aumentando la tensione di polarizzazione del diodo in modo da accrescere la
zona di svuotamento e il campo elettrico del rivelatore;
Raccogliendo per ogni valore di BIAS più misure, con livello di trigger
crescente e a livelli prestabiliti, in modo da avere misure più selettive;
57
all'aumentare del trigger “catturo” solo eventi con una carica rilevante;
Dalla consolle DOS si lancia una delle utility create appositamente grazie alle librerie
fornite dall'azienda Ztec la quale setta l'oscilloscopio in modo che memorizzi ogni
evento al di sopra di un certo livello di trigger. Le misure si basano sull'acquisizione di
2000 campioni per volta.
Una volta terminata l'acquisizione, in automatico, l'oscilloscopio su schermo richiede il
download dei dati dei canali che verranno salvati e successivamente elaborati.
Elaborazione dati con matlab
I dati raccolti dall'oscilloscopio, sono in formato binario ad 8 bit. Per ricavare il grafico
finale dei conteggi si devono ricavare prima i valori di tensione che caratterizzano ogni
misura rilevata in quanto il pre-amplificatore di carica integra il segnale in corrente
uscente dal diodo ottenendo così un segnale in tensione proporzionale alla carica. Con
l'utilizzo di matlab è possibile estrarre il valore di picco di ognuno dei campioni
acquisiti. Successivamente è possibile estrarne l'istogramma di tali valori per esaminare
la statistica dell'esperimento svolto. Tale grafico dovrebbe essere rappresentativo dello
spettro della sorgente utilizzata.
58
Capitolo 5
Risultati sperimentali
Esperimento con diodi laser
Le misure effettuate sono state realizzate con l’oscilloscopio Tektronix tds 3012 che
permette la visualizzazione dei segnali in ingresso(100MHz, 1,25GHz). I dati raccolti
per ogni serie di misure sono stati inviati al pc per essere poi elaborati in un grafico
complessivo. I grafici realizzati sono di due tipi:
Nel primo grafico misuro la tensione in tre zone diverse del rivelatore come
rappresentato in figura 40 con tensione di polarizzazione costante.
Nel secondo grafico invece confronto diverse tensioni di polarizzazione nel
punto di massima raccolta della carica.
Figura 40 : Particolare ingrandito del diodo tridimensionale con segnati i punti di irraggiamento del laser
59
Test laser 630nm
Il laser da 630 nm emette radiazioni assorbite solo in pochi micron del rivelatore, quindi
genera cariche mobili nella zona superficiale. Nel grafico in figura 41 si possono notare
le tre diverse tensioni misurate con il laser 630nm sul diodo da 80 micron. La tensione
definita in legenda come “high” (con campo elettrico alto) corrisponde alla misura
compresa fra due colonne opposte
. La tensione definita come “low” (con
e
campo elettrico basso) invece indica la misura compresa fra due colonne aventi lo stesso
segno
. La tensione definita “metal” indica invece la misura effettuata sulla
metallizzazione del detector. Il driver “Zeni” viene settato diversamente per ogni tipo di
diodo laser cercando sempre però di ottenere la minima corrente che permetta il corretto
funzionamento. Per il diodo laser da 630 nm le impostazioni del driver sono:
V_alimentazione: 13.00V
Ibias (with impulse): 72mA
Vimpulse: 4Vpp
Freq: 100Hz
Duty cycle: 50%
Al rivelatore 3D-DDTC viene fornita una tensione di polarizzazione di 30 V.
60
3d diode 4 pitch 80 um strip pattern laser 630 nm
0,002
0,000
Voltage[V]
-0,002
-0,004
High
Low
Metal
-0,006
-0,008
-0,010
0
10
20
30
40
Time[ns]
Figura 41: Grafico tempo-tensione del diodo da 80 um con il laser da 630 nm
61
50
Nel grafico in figura 42 possiamo osservare come, incrementando progressivamente la
tensione di polarizzazione (bias) fornita al diodo 3D-DDTC da 80 micron, il segnale in
uscita sia progressivamente più breve. Questo significa che aumentando la tensione di
polarizzazione fino ad un limite definito di break down, il segnale in uscita migliora
sensibilmente perché si amplia la regione di svuotamento ed il campo elettrico del
diodo. Di conseguenza la raccolta della carica risulta essere più veloce. Se superassimo
la tensione di break down il diodo andrebbe in conduzione a valanga ovvero non
sarebbe più possibile misurare la quantità di carica e inoltre si rischierebbe di
distruggere il diodo stesso. Le misure sono state effettuate fino ad una tensione di
polarizzazione di 40 V appunto per non rischiare di distruggere il detector.
Caratterizzazione 80 um strip pattern con bias voltage differenti (laser 630)
0,002
0,000
40[V] Bias
30[V] Bias
20[V] Bias
15[V] Bias
10[V] Bias
5 [V] Bias
4 [V] Bias
3 [V] Bias
2 [V] Bias
1 [V] Bias
Voltage[V]
-0,002
-0,004
-0,006
-0,008
-0,010
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Time[ns]
Figura 42: Grafico tempo-tensione del diodo da 80 um con laser da 630nm variando la tensione di
polarizzazione
62
Test laser 980nm
Nel grafico in figura 43 si possono notare le tre diverse tensioni misurate sul diodo da
80 µm con il laser da 980 nm. Con questo tipo di laser, essendo che la carica viene
generata nella regione di overlap delle colonne, ci si aspetta una risposta molto veloce.
Infatti confrontando il grafico in figura 41, cioè quello effettuato con il laser da 630nm
sul medesimo detector, con questo, si può notare che la velocità di risposta è
notevolmente aumentata; se prendiamo in considerazione le due tensioni “high”(
tensione misurata fra due colonne opposte
e
) per le due tipologie di laser,
notiamo che la durata è quasi dimezzata in quanto la durata per il laser 630nm è di 6,2ns
invece per il laser 980nm è di 3,4ns.
Signal height as as a function of the impinging position
3D diode 4, pitch 80um metal, strip pattern laser 980.
0,005
0,000
-0,005
-0,010
Voltage[V]
-0,015
-0,020
metal
low
high
-0,025
-0,030
-0,035
-0,040
-0,045
-0,050
-0,055
0
10
20
30
40
50
Time[ns]
Figura 43: Grafico tempo-tensione diodo da 80 um con laser da 980 nm
63
60
70
Caratterizzazione 80 um strip pattern con bias voltage differenti (laser 980 nm)
0,005
0,000
-0,005
1[V] Bias
2[V] Bias
3[V] Bias
4[V] Bias
5[V] Bias
8[V] Bias
10[V] Bias
15[V] Bias
20[V] Bias
30[V] Bias
Voltage[V]
-0,010
-0,015
-0,020
-0,025
-0,030
-0,035
-0,040
-0,045
0
20
40
60
80
Time[ns]
Figura 44: Grafico tempo-tensione del diodo da 80 um con laser da 980 nm variando la tensione di polarizzazione
64
Nel grafico in figura 45 mettiamo a confronto i valori della larghezza dell’onda a metà
della sua altezza(ovvero la “FWHM”), misurate nel grafico in figura 41 con la rispettiva
tensione di polarizzazione. Possiamo notare come la polarizzazione inversa del diodo
tridimensionale migliori le sue prestazioni, infatti non polarizzando il diodo il tempo
impiegato per raccogliere la carica era di circa 17 ns ma polarizzando a -30 V il tempo
di raccolta si riduceva a circa 3,4 ns.
Figura 45: Grafico delle tensioni di polarizzazione in funzione delle FWHM
65
Test laser 1060nm
Nel grafico in figura 46 si possono notare le tre diverse tensioni misurate sul diodo da
80 µm con il laser da 1060nm. Questo tipo di laser attraversa tutto il substrato del
detector. La carica viene generata in tutta la regione e quindi la risposta risulta essere
abbastanza veloce, ma non quanto quella generata con il laser da 980nm. Infatti
confrontando con i risultati precedenti si nota che quello del 1060nm è leggermente più
lento in confronto a quello del 980nm. La durata del tensione “high” con il laser da
1060nm è di 4,8ns. Le caratteristiche del settaggio del driver “Zeni” sono:
V_alimentazione: 8.50V
Ibias (with impulse): 29mA
Vimpulse: 4Vpp
Freq: 100Hz
Duty cycle: 50%
La corrente di polarizzazione del diodo è sempre di 30 V.
Laser 1060nm
0,000
Voltage[V]
-0,005
Metal
Low
High
-0,010
-0,015
-0,020
-0,025
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Time[ns]
Figura 46: Grafico tempo-tensione del diodo da 80 um metallizzato con laser da 1060nm
66
Grafico diodo 80 um no metal laser da 1060 nm
0,000
Voltage[V]
-0,005
Column
High
Low
-0,010
-0,015
-0,020
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Time[ns]
Figura 47: Grafico tempo-tensione del diodo da 80 um con il laser da 1060 nm
67
55
60
Caratterizzazione laser 1060 nm, diodo 100 um no metal
0,005
0,000
-0,005
column
low
high
Voltage[V]
-0,010
-0,015
-0,020
-0,025
-0,030
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Time[ns]
Voltage[V]
Figura 48: Grafico tempo-tensione del diodo da 100um con il laser da 1060 nm
0,004
0,002
0,000
-0,002
-0,004
-0,006
-0,008
-0,010
-0,012
-0,014
-0,016
-0,018
-0,020
-0,022
-0,024
-0,026
-0,028
-0,030
-0,032
0
5
10
15
20
25
Time[ns]
30
35
40
45
50
1 bias
2 bias
3 bias
4 bias
5 bias
6 bias
7 bias
8 bias
9 bias
10bias
12 bias
14 bias
16 bias
18 bias
20 bias
25 bias
30 bias
35 bias
40 bias
45 bias
Figura 49: Grafico tempo-tensione del diodo da 100um con il laser da 1060 nm variando la tensione di
polarizzazione
68
Esperimento con particelle alfa
Spettri ottenuti con l’utilizzo di diodi 3D-DDTC
In questa sezione sono riportati i risultati sperimentali e le misure raccolte durante i test
effettuati.
I primi grafici fanno riferimento al segnale letto direttamente all'uscita del
preamplificatore mentre quelli successivi sono i risultati ottenuti leggendo l'uscita dello
shaper. Il titolo di ogni grafico riporta il tipo di sorgente e di diodo, il numero assegnato
al diodo in fase di fabbricazione, la tensione di Bias, il livello di trigger e se la misura è
stata effettuata con o senza shaper. I grafici raffigurano le statistiche sulla raccolta di
carica del diodo. Sulle ordinate troviamo il numero di conteggi mentre l'asse delle
ascisse riporta la carica raccolta espressa in fC. Il valore di carica è stato ottenuto
applicando la seguente relazione:
Si noti che con C (1pF, feedback di A250) e
(misurata) è possibile risalire al valore
di carica raccolta.
Figura 50: Curve statistiche di raccolta di carica in uscita dell'amptek con
variazione del trigger, diodo da 80um
69
Figura 51: Curve statistiche di raccolta di carica in uscita dell'amptek
Figura 52: Curve statistiche di raccolta di carica in uscita dell'amptek con variazione del trigger, diodo da 100um
70
Figura 53: Curve statistiche di raccolta di carica in uscita dell'amptek con variazione del trigger, diodo da
100um
Considerazioni sull’uscita del pre-amplificatore di carica
Amptek250
Questa prima prova mette in evidenza la capacità di raccolta di carica dei due dispositivi
rivelatori integrando per tutta la durata dell'evento la corrente in uscita dal rivelatore. In
questo modo si può notare la variazione delle curve al variare della tensione di
polarizzazione. Confrontando i grafici si nota subito che il valore medio µ cresce
all'aumentare della tensione di polarizzazione del dispositivo e la curva si sposta
sensibilmente verso destra. Una volta raggiunta la tensione di saturazione ossia il
completo svuotamento del diodo, la curva si stabilizza e il valore medio raggiunge
valori simili nonostante l'aumento del bias. I due rivelatori messi a confronto, portano
subito in evidenza la maggior capacità di raccolta di carica del diodo da 80µm per basse
tensioni di polarizzazione. Si può notare una concentrazione di eventi verso sinistra,
indice di coerenza con lo spettro della sorgente mostrato nei capitoli precedenti. A causa
della ridotta risoluzione spettrale del nostro sistema non è stato possibile vedere tutti e
tre i picchi della sorgente misurata.
71
Figura 54: Curve statistiche di raccolta di carica in uscita dallo shaper con variazione della tensione di polarizzazione
72
Figura 55: Curve statistiche di raccolta di carica in uscita dallo shaper con variazione della tensione di polarizzazione
73
Considerazioni sull’uscita dello shaper
Aggiungendo lo shaper in uscita dal pre-amplificatore riesco a rilevare solo i primi 20ns
che caratterizzano l'evento sul rivelatore. Quindi in realtà non acquisisco tutta la carica
emessa sul diodo bensì solo il picco principale che viene rilasciato nei primi istanti. In
questo modo si mette in evidenza la velocità di raccolta dovuta al campo elettrico che si
crea tra le colonne all'aumentare della tensione di polarizzazione. Nel primo grafico
riferito al diodo da 80µm, si nota come all'aumentare del bias la curva si sposti verso
destra cercando di stabilizzarsi su un valore medio attorno ai 76fC. La velocità di
raccolta però è messa in evidenza dalla varianza della curva che all'aumentare del bias
diminuisce indicando che sempre più carica viene raccolta per intero.
Queste proprietà si notano meglio con il diodo da 100µm. Si nota subito come
l'aumento del bias comporti un miglioramento notevole tanto che il valore medio della
curva a 30V quasi raddoppia rispetto al valore iniziale a 10V di bias. La distanza tra le
colonne però compromette la velocità di raccolta della carica. Se confrontiamo il grafico
del diodo da 80µm con quello da 100µm in condizione di polarizzazione elevata e
quindi di quasi completo svuotamento, a 30V, appare subito evidente come la varianza
del primo dispositivo sia di gran lunga inferiore a quella del secondo e ciò dipende da
tre fattori:
Serve più tensione di polarizzazione per svuotare il dispositivo in quanto il pitch
tra le colonne è maggiore e di conseguenza a parità di bias il campo sarà minore;
Hit Point della particella che, colpendo zone poco polarizzate perde parte della
carica che dovrebbe essere rilevata;
La carica deve coprire una distanza maggiore per essere raccolta;
Confronto con la corrente in uscita dal rivelatore
Per capire quale sia la forma dell'impulso letto del rivelatore, sono state eseguite delle
misure con un amplificatore veloce che trasforma l'impulso di corrente in uno di
tensione e lo amplifica.
Come anticipato dai grafici della distribuzione di carica, si nota la presenza di impulsi la
cui ampiezza è minore del previsto. Le prove sono state effettuate per diversi valori di
tensione di bias e sono mostrate tre differenti curve:
“Tail Low” è la corrente letta dal diodo se la zone di impatto della particella è
vicino alla regione di guardia, si nota come sia di bassa entità e presenti una coda
74
allungata che può arrivare anche oltre qualche decina di nanosecondi.
“Low” è la corrente generata da zone di impatto non ottimali ma all'interno
dell'area attiva del diodo, non è presenta la coda osservata nel caso precedente;
“High” è la corrente generata da un punto ottimale di impatto. Sono evidenti i
due picchi relativi alla raccolta in tempi diversi di elettroni e lacune, i primi sono letti
più velocemente mentre le seconde più lentamente.
Le oscillazioni che si vedono al momento della risalita della curva, sono dovute a delle
non idealità dell'amplificatore che provocano in alcuni casi un effetto “ripple”.
0,003
0,002
0,001
0,000
Voltage[V]
-0,001
-0,002
Tail low
Low
High
-0,003
-0,004
-0,005
-0,006
-0,007
-0,008
-0,009
-20
-10
0
10
20
30
40
Time[ns]
Figura 56: Andamento della corrente in uscita dal rivelatore ad 1V di bias
75
50
0,006
0,004
0,002
Voltage[V]
0,000
-0,002
-0,004
Tail low
Low
High
-0,006
-0,008
-0,010
-0,012
-0,014
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Time[ns]
Figura 57: Andamento della corrente in uscita dal rivelatore ad 10V di bias
0,010
0,005
Voltage[V]
0,000
-0,005
Tail low
Low
High
-0,010
-0,015
-20
-10
0
10
20
30
40
Time[ns]
Figura 58: Andamento della corrente in uscita dal rivelatore ad 30V di bias
76
50
Regione di confine
Nel grafico che fa riferimento al rivelatore da 80µm, misure con lo shaper e tensione di
Bias pari a 10V, si notano dei conteggi di picchi di carica deboli dell'ordine dei 25-30fC.
Questo fenomeno è dovuto all'interazione della particella con il guard ring collegato a
massa che circonda l'area di rivelazione del diodo. Per meglio comprendere questo
fenomeno sono state eseguite delle simulazioni numeriche su una porzione ridotta di
dispositivo. Le due aree esaminate sono delle celle composte da quattro colonne
giunzione al centro delle quali è posizionata una colonna ohmica. La prima area
esamina risiede completamente all'interno dell'area attiva del diodo mentre la seconda
sta a cavallo tra l'area attiva e la zona di guardia.
Figura 59: Superfici di simulazione su layout del diodo:in rosso Guard Region e in arancione l'Active region
Per quanto riguarda la prima regione tutta la carica è raccolta dagli elettrodi della zona
attiva. Inoltre è stato possibile avere la conferma che la particella penetra nel dispositivo
per non più di 30µm. Per quanto riguarda il caso della simulazione della regione di
guardia sono presenti due elettrodi, uno relativo alla regione attiva del diodo ed uno
relativo all'anello di guardia. Come si può osservare la carica generata dalla particella
viene suddivisa tra guard ring e diodo in modo non equo, sembra infatti che se la
particella incide in questa regione la maggior parte degli elettroni vengano raccolti dal
guard ring che è normalmente collegato a massa.
77
Figura 60: Simulazione dell'impatto di una particella alfa su active region e densità di carica generata
Questo fa si che il segnale letto del rivelatore 3D sia di entità notevolmente inferiore a
quello atteso. Questo conferma la correttezza della presenza di un certo numero di
conteggi rappresentativi di una minor carica raccolta.
Figura 61: Simulazione dell'impatto di una particella alfa su guard region e densità di carica generata
78
Conclusioni
In questa tesi si è studiato il comportamento dei rivelatori per radiazioni tridimensionali
a doppia colonna 3D-DDTC. Il lavoro svolto si è basato principalmente su due attività:
Misure dinamiche con sorgenti laser
Misure dinamiche con sorgente radioattiva alfa
Misure dinamiche con sorgente laser
Nell’esperimento con sorgente laser si è costruito un sistema di misura apposito a basso
rumore ed alta velocità di risposta. Gli esperimenti sono stati improntati sullo studio
della velocità di raccolta della carica in base alla penetrazione della radiazione nel diodo
e alla tensione di polarizzazione. I primi risultati utili si sono notati già a basse tensioni
di polarizzazione, caratteristica già teoricamente ipotizzata grazie alla vicinanza tra le
colonne dei due elettrodi. In base alla penetrazione della radiazione si potevano notare
le differenti velocità di raccolta, dovute alle differenti regioni di campo elettrico. Inoltre
aumentando la tensione di polarizzazione, una volta svuotato il diodo, si è notato un
aumento della velocità di raccolta indipendentemente dalla capacità di penetrazione
della radiazione usata. I dati raccolti hanno confermato un buon funzionamento dei
diodi tridimensionali per quanto possibile con gli strumenti a disposizione. Come si può
notare, dai grafici precedentemente studiati, le tensioni registrate, a meno di un piccolo
rumore di fondo, risultano essere concordi all’aspettativa iniziale.
In conclusione questo tipo di rivelatori sembrano confermare una maggiore velocità di
raccolta della carica utilizzando una tensione di polarizzazione inferiore rispetto ai
tradizionali rivelatori planari.
Misure dinamiche con particelle alfa
Il lavoro svolto negli ultimi mesi ha portato alla luce delle interessanti considerazioni
sulle possibilità di impiego di rivelatori 3D in nuovi contesti applicativi. Una delle
caratteristiche primarie del dispositivo è l'elevatissima sensibilità agli eventi esterni con
basse tensioni di polarizzazione. Per avere il completo svuotamento del diodo basta una
tensione molto bassa, e già a -1V di Bias si riescono a rivelare le radiazioni incidenti.
79
L’entità dei segnali in gioco ed i tempi di raccolta della carica generata permettono di
concludere che le strutture 3D sono ottime candidate per lo sviluppo di nuovi rivelatori
di neutroni basati sul riempimento delle colonne con opportuni materiali convertitori (ad
esempio LiF). I risultati ottenuti in questa tesi potranno essere migliorati grazie alla
riduzione della distanza tra rivelatore e pre-amplificatore, portando i due a stretto
contatto in modo da ridurre il rumore elettronico.
80
Ringraziamenti
Un ringraziamento speciale va a tutte le persone che nel corso di questi anni ci hanno
aiutato; in particolare desideriamo ringraziare le persone che ci hanno seguito in questo
lavoro:
Prof. Gian-Franco Dalla Betta per la sua grande disponibilità e per l’aiuto
offertoci nella stesura della tesi
Ing. Marco Povoli per il supporto nelle attività di laboratorio e per il costante
aiuto nelle problematiche incontrate
Ing. Andrea Zoboli per averci aiutato nella realizzazione del progetto
Dr. Vladyslav Tyzhnevyi per gli utili consigli di laboratorio
Vogliamo inoltre ringraziare i nostri genitori e i nostri fratelli per l’incoraggiamento e
l’aiuto datoci in questi anni.
Infine ringraziamo tutti i nostri amici, in particolare i compagni di università per il
supporto e tutti i momenti felici vissuti in questo periodo.
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Bibliografia
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[3].A.Zoboli, M.Boscardin, L. Bosisio, G.F.Dalla Betta, C.Piemonte, S.Ronchin
e N.Zorzi, “Double sided, double type column 3D detectors: Design fabrication
and technology evaluation”, IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 55, no.
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Parker, S. Petersson, S. Pospíšil, G. Thungström, “Highly sensitive silicon
detectors of thermal neutrons” 2006 IEEE Nuclear Science Symposium
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Parker, S. Petersson, S. Pospíšil, G. Thungström, “Characterization of 3D
thermal neutron semiconductor detectors” Nuclear Instruments and Methods in
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82
