Misure su rivelatori a silicio

[silici.tex]
Laboratorio di Fisica B
Misure su rivelatori a silicio
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Scopo dell’esperimento
Lo scopo dell’esperimento è di misurare le caratteristiche di un rivelatore a
silicio a microstrip che sono determinanti per il suo funzionamento (e anche per
la scelta del preamplificatore), e di verificare la risoluzione spaziale ottenibile
con un rivelatore a microstrip equipaggiato con il circuito integrato Viking
contenente 128 preamplificatori.
In particolare si vogliono misurare: (i) la caratteristica corrente–tensione
in polarizzazione inversa (una delle sorgenti di rumore è data dalla fluttuazione
della corrente continua, per cui è importante valutare la corrente), (ii) la caratteristica capacità–tensione, sempre in polarizzazione inversa, dalla quale si
ricavano (a) il valore della tensione di svuotamento del rivelatore, (b) il valore
della capacità che entra nel calcolo del rumore in carica riferito all’ingresso
(ENC).
Poichè si tratta di misurare correnti e capacità molto piccole, bisogna usare
strumenti molto sensibili e particolari accorgimenti: uso di gabbie di Faraday,
cavi schermati, sottrazione delle capacità parassite a circuito aperto e a circuito
chiuso. Queste tecniche di misura sono di uso corrente per la caratterizzazione
di dispositivi a semiconduttore in generale.
Nell’ultima parte dell’esperienza un rivelatore a microstrip con passo più
fine (50 µm) di quelli utilizzati per le misure precedenti viene posto sotto un
fascetto di luce generato mediante un LED, e vengono osservati all’oscilloscopio
i segnali analogici delle varie strip; spostando il rivelatore rispetto al fascio con
una vite micrometrica si osserva la corrispondente variazione dei segnali e si
stima la risoluzione spaziale del rivelatore.
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Materiale a disposizione
• rivelatori a silicio a microstrip:
– tipo “design W” a faccia singola, 16 strips, 5 cm x 5 cm
– tipo “design W” a doppia faccia, 16+16 strips, 5 cm x 5 cm
– a faccia singola con 128 strips di passo 50 µm
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• Sorgente/Misuratore di corrente/tensione (SMU) Keithley mod. 236 (oppure mod. 237)
• Misuratore LCR di precisione HP mod. 4284A
• Apparecchio di prova (test fixture) per polarizzazione esterna HP mod.
16065A
• cavi di collegamento tra Keithley 236/237 e utilizzatore (ovvero, direttamente con il dispositivo in misura oppure con la test fixture HP 16065A):
– 2 cavi triassiali 7078–TRX–10
– 1 cavo triassiale con morsetti a coccodrillo 237–ALG–2
– 2 adattatori 237–BNC–TRX
• piastre per montare i rivelatori all’interno dell’HP 16065A (collegano
insieme tutte le strip dallo stesso lato di un rivelatore)
• sistema per aumentare la temperatura all’interno dell’HP 16065A, costituito da resistenza di potenza, sensore, regolatore di temperatura
• sonda di temperatura (HD 9016) collegata ad un multimetro digitale
• Misuratore LCR portatile mod. AVO MEGGER B131 (solo per confronto
di precisione con il misuratore HP 4284A)
• crate NIM
• modulo NIM “LASER DRIVER”
• modulo NIM “VICTIM” (Viking Timing)
• dual timer CAEN N93B
• logic fan-in/fan-out
• generatore di impulsi (LeCroy 9210/9211 o AFG3101 (100 MHz))
• alimentatori con limite di corrente da ±6 V e ±12 V (ad es. HP E3610A,
HP E3631A)
• alimentatore per la tensione di polarizzazione del rivelatore (Keithley
237)
• rivelatore a microstrip (passo 50 µm) con “chip” elettronico VIKING a
128 canali
• oscilloscopio Tektronix 2232 (Digital Storage)
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Parte 1: misura della caratteristica I–V a
diverse temperature
Per questa misura si usano la SMU Keithley 236 (oppure 237) nella configurazione sorgente di tensione (e misura di corrente) e l’apparecchio di prova (test
fixture) HP 16065A, che viene qui utilizzato principalmente come gabbia di
Faraday e come riparo dalla luce.
Per familiarizzarsi con il Keithley 236/237 conviene fare alcune prove su
una resistenza di alcuni M Ω collegata alla SMU tramite il cavo 237–ALG–
2 con morsetti a coccodrillo. Il cavo va collegato provvisoriamente all’uscita
OUTPUT HI sul pannello posteriore del Keithley, al posto del cavo 7078-TRX10: v. allegato 1.
Tenere presenti le pagine da 1–13 a 1–17 del manuale Keithley 236/237/238
per la descrizione del pannello frontale e posteriore della SMU. Impostare una
misura di corrente in modo DC (fornendo ad es. 10 V): si può seguire l’esempio
alle pagine 1–22 e 1–23 del manuale, facendo gli opportuni cambiamenti dato
che si vuole fornire V invece di I. Fare riferimento per dettagli alle pagine da
2–33 a 2–54 (Operating Fundamentals (DC Operation)) del manuale.
Dopo le prove con la resistenza, ristabilire la connessione tra l’uscita OUTPUT HI sul pannello posteriore del Keithley e l’apparecchio di prova 16065A
mediante il cavo 7078-TRX-10. Inserire nel 16065A un rivelatore a doppia
faccia montato sulla piastra corrispondente, avendo cura di collegare il backplane (substrato di tipo n) al terminale HIGH e il lato p al terminale LOW
dell’apparecchio di prova. In questo modo una tensione POSITIVA impostata
sulla SMU corrisponde ad una polarizzazione INVERSA del rivelatore: quindi
andranno impostate esclusivamente tensioni positive. Per evitare infiltrazioni
di luce che potrebbero alterare la misura di corrente, è opportuno chiudere le
fessure con nastro adesivo nero.
Per decidere le modalità di misura ottimali, conviene impostare una tensione di 10 V (in modo DC) e fare alcune serie di misure della corrente del
rivelatore, variando tra una serie e l’altra il tempo di integrazione (FAST MEDIUM - LINE) o il numero di letture che vengono mediate. È opportuno confrontare la fluttuazione osservata tra misure della stessa serie (tempo
di integrazione e numero di letture fissati) con la precisione nominale dello
strumento di misura (v. allegato 5): normalmente le fluttuazioni tra misure successive sono più grandi della precisione nominale, inoltre bisogna tener
conto del tempo di carica dei condensatori interni all’apparecchio di prova (le
prime misure dopo un cambiamento di tensione sono inaffidabili) e di una certa
tendenza alla diminuzione della corrente con il passare del tempo.
Per effettuare una sequenza di misure di corrente I(V) in modo affidabile e
riproducibile è quindi opportuno usare il modo SWEEP (spazzata) piuttosto
che il modo DC: infatti in modo SWEEP è possibile inserire un ritardo costante
tra la fornitura di un nuovo valore di tensione e la relativa misura di corrente,
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permettendo la stabilizzazione del valore di corrente, ed è possibile impostare
un intervallo di tempo costante tra due misure successive a tensioni diverse.
Il tipo di SWEEP (spazzata) consigliato è quello denominato linear staircase (fig. 2-32 a pag. 2-56 del manuale), con i relativi parametri illustrati
nella fig. 2-39 a pag. 2-64. Si può seguire l’esempio del paragrafo 2.19.5 alle
pagine 2-68→2-70. In questo modo è possibile impostare una serie di tensioni
crescenti equispaziate (usare l’intervallo 0-80 V); prestare attenzione al valore
di “compliance” (limite di corrente) che non deve superare qualche decina di
µA per non danneggiare il rivelatore, e al ritardo tra la fornitura di tensione e
la misura di corrente che deve essere stabilito in base alle prove precedenti in
modo DC.
Effettuare quindi una prima sequenza di misura in modo SWEEP a temperatura ambiente (il cui valore va registrato). I dati di corrente non vengono
visualizzati durante la misura (contrariamente al modo DC), ma devono essere
recuperati alla fine seguendo le istruzioni del paragrafo 2.24, illustrate dalle figure 2-55 e 2-56 a pag. 2-93 del manuale. Conviene inserire subito i dati della
misura I–V in un foglio elettronico (ad es. ORIGIN) per farne un grafico e
verificarne la regolarità.
Effettuare poi altre due misure sullo stesso rivelatore a due altre temperature superiori alla temperatura ambiente, con aumenti dell’ordine di 3-4 ◦ C
ogni volta.
Ripetere la misura I–V con un rivelatore a singola faccia (in questo caso
un solo valore di temperatura è sufficiente) oppure con un altro rivelatore a
doppia faccia, a seconda della disponibilità.
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Parte 2: misura della caratteristica C–V
Per questa misura si aggiunge ai dispositivi elencati in precedenza il misuratore LCR HP 4284A, che va collegato all’apposito connettore quadruplo
dell’apparecchio di prova HP 16065A. Il 4284A può stimolare il rivelatore con
un segnale alternato di piccola ampiezza e frequenza variabile tra 20 Hz e
1 MHz (il 16065A ha però un limite inferiore di 50 Hz). La frequenza di
misura è un parametro importante per i dispositivi MOS (metallo–ossido–
semiconduttore); nel caso di semplici diodi p–n non irradiati non ci si attende
una dipendenza significativa dalla frequenza.
Il misuratore LCR da solo può fornire tensioni in continua fino a ±40 V, che
in generale non sono sufficienti per il completo svuotamento di un rivelatore a
silicio; tramite l’apparecchio di prova 16065A (v. allegato 3) è possibile fornire
una tensione continua esterna fino a ±200 V (nel nostro caso la sorgente di
tensione esterna è il Keithley 236/237) che si somma alla tensione alternata
sinusoidale fornita dal 4284A.
Per rendersi conto della precisione del misuratore HP 4284A può essere
utile confrontarlo con il misuratore LCR portatile mod. B131. Procurarsi un
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condensatore da qualche decina di pF ed effettuare una misura di capacità
con il B131 alla frequenza di 1 kHz; avendo scelto la portata fino a 1000 pF
lo strumento dovrebbe richiedere preventivamente la calibrazione a circuito
aperto. Dopo la calibrazione, inserire i piedini del condensatore nelle fessure
del misuratore. La misura di capacità viene fatta nel modo Cp − Rp , ovvero
con un modello comprendente una resistenza parassita in parallelo. Annotare
l’errore di misura (pag. 11 del manuale del B131).
Misurare lo stesso condensatore con il misuratore di precisione HP 4284A
(vedere qui sotto le istruzioni generali) e confrontare i due risultati. Fare
attenzione ad usare sul 4284A la stessa frequenza di 1 kHz e lo stesso modo
Cp − Rp , e ricordarsi di effettuare la calibrazione a cicuito aperto (OPEN).
Per effettuare la misura di capacità dopo che la tensione DC sul rivelatore
è stabilizzata si può collegare mediante cavo BNC il TRIGGER OUT del
Keithley 236 all’EXT TRIGGER dell’HP 4284A; occorre poi accertarsi che il
“Trigger Mode” del 4284A sia su trigger esterno (opzione EXT dal menu MEAS
SETUP), e che nel TRIGGER SETUP del 236/237 siano impostate le seguenti
condizioni: INTERNAL ORIGIN, *SRC DLY MSR IN, SRC DLY MSR* OUT
(per maggiori dettagli vedere le pagine da 2–81 a 2–91 del manuale Keithley).
Regolare i tempi di misura sui due strumenti in modo da avere misure stabili.
Se la sincronizzazione tra i due strumenti non dovesse funzionare, sarà
necessario lanciare manualmente prima la generazione di un valore di tensione
sul 236/237 (pulsante MANUAL TRIGGER) e poi la misura di capacità sul
4284A.
Effettuare/verificare i collegamenti indicati nello schema in allegato 1, ma
non inserire il rivelatore nelle fasi 1, 2 e 3. Tenere presenti le pagine da 2–1 a
2–16 del manuale 4284A per la descrizione del pannello frontale e posteriore.
La misura di capacità si articola in più fasi (si può seguire in linea di massima l’esempio alle pagine da 6–24 a 6–27 del manuale, con qualche modifica),
nelle prime tre si può fissare la tensione fornita dal Keithley 236 a un valore
di 10 V, mentre nella quarta fase (la misura C–V vera e propria) la tensione
fornita dal Keithley 236/237 dovrà essere variata:
1. Impostazione delle condizioni di misura sul 4284A, nel nostro caso: funzione Cs –Rs (adatta per rappresentare il rivelatore a silicio in polarizzazione inversa: capacità con resistenza parassita in serie), frequenza di
misura (per es.) di 10 kHz e poi di 100 kHz, livello del segnale sinusoidale
di test dell’ordine di qualche centinaio di mV;
2. Effettuazione della correzione OPEN (circuito aperto): per la massima
precisione conviene inserire nel 16065A la piastra senza il rivelatore in
modo da tener conto della capacità dei contatti;
3. Effettuazione della correzione SHORT (corto circuito): aggiungere l’apposito
ponticello sul connettore della piastra in modo da sostituire il rivelatore
con un corto circuito;
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4. Misura vera e propria di capacità in funzione della tensione con un rivelatore montato sulla piastra: vedere dettagli qui sotto.
Dopo aver memorizzato le correzioni OPEN e SHORT risp. nelle fasi 2 e 3
ed averle attivate (per maggiori dettagli fare riferimento alle pagine da 4–18 a
4–24 del manuale 4284A; le correzioni rimangono valide finchè non si spegne
lo strumento o si cambia la piastra), si può iniziare la fase 4 con il rivelatore
montato all’interno dell’HP 16065A.
Le misure C–V possono essere effettuate a temperatura ambiente (registrare
comunque il valore di temperatura). Effettuare una serie di misure con tensione
da 0 a 80 V su uno dei rivelatori (a doppia faccia o a faccia singola), usando
la frequenza di 10 kHz.
Ripetere poi l’intera serie di misure alla frequenza di 100 kHz.
Effettuare le due serie di misure (f = 10 kHz e f = 100 kHz) su un secondo
rivelatore, ma solo se rimane tempo.
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Parte 3: stima della risoluzione spaziale di
un rivelatore a microstrip
Questa parte dell’esperienza utilizza una scatola metallica contenente un rivelatore a microstrip di passo 50 µm equipaggiato con 128 canali elettronici di preamplificazione Viking. All’esterno della scatola sono visibili:
• un connettore per fibra ottica che permette di inviare sul rivelatore un
fascetto di luce
• una scheda elettronica collegata al Viking da un parte, agli alimentatori
e ai moduli NIM dall’altra
• una vite micrometrica che permette di spostare il rivelatore sotto il fascio:
un giro completo equivale a 250 µm, una divisione maggiore a 10 µm
Inoltre sono utilizzati alcuni moduli NIM per generare gli impulsi di luce e
i segnali di sincronizzazione del Viking, nonchè un generatore di impulsi che
pilota i moduli NIM sopra citati.
Accendere le alimentazioni di bassa tensione ±6 V e ±12 V per i preamplificatori Viking e le schede elettroniche associate. Accendere il crate NIM
dove sono alloggiati i moduli NIM “LASER DRIVER”, “VICTIM” (Viking
Timing), dual timer CAEN N93B e logic fan-in/fan-out. Accendere il generatore di impulsi (LeCroy 9210/9211 o altro). Osservare all’oscilloscopio i segnali
“Laser Driver IN” del modulo “LASER DRIVER” (deve essere un segnale NIM
di durata almeno 100 ns) e “TRIGGER IN” del modulo “VICTIM” (segnale
NIM di durata circa 1 ms).
Collegare l’uscita analogica proveniente dai preamplificatori Viking all’oscilloscopio. NON collegare per il momento il cavetto del “Laser Driver IN”
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del modulo “LASER DRIVER”. Osservare i segnali provenienti in successione dalle 128 microstrip all’oscilloscopio, in particolare il valore medio e
la fluttuazione della tensione di alcune microstrip vicine. Tramite i cursori
dell’oscilloscopio Tektronix 2232, determinare il fattore di conversione tra la
differenza di tempo ∆T (espressa in µs) e il numero progressivo della microstrip.
Aumentare lentamente (partendo da 0 V) la tensione di polarizzazione inversa del rivelatore a microstrip e osservare se e come si modifica il valore
medio e la fluttuazione delle stesse microstrip di cui sopra.
Inserire il cavetto coassiale “Laser Driver IN” del modulo “LASER DRIVER”,
osservare come si modificano i segnali provenienti dalle microstrip: quelle investite dal fascio luminoso presentano valori di tensione più elevati rispetto alle
vicine, con un profilo all’incirca gaussiano. Misurare le ampiezze dei segnali
delle microstrip investite dal fascio luminoso utilizzando la funzione di media
dell’oscilloscopio per ottenere valori mediati su un congruo numero di acquisizioni. Spostare il rivelatore di 50 µm (o più) mediante la vite micrometrica
e ripetere la misura delle ampiezze. Ripetere per massimo una decina di volte,
spostando ogni volta il rivelatore di 50 µm o più. Opzionale: misurare le
ampiezze dei segnali delle microstrip in assenza del fascio luminoso, per tutte
le microstrip precedentemente misurate in presenza di fascio.
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6.1
Elaborazione dati
Misure di corrente
Per quanto riguarda i dati I–V è necessario calcolare la corrente per unità di
area (usando l’area geometrica del rivelatore) alla tensione di svuotamento (determinata tramite la curva C–V, come indicato qui sotto), e inoltre la corrente
per strip: questo parametro è uno degli elementi che concorrono a determinare
il rumore una volta che il rivelatore sia collegato a un preamplificatore. Si tenga
presente che in un esperimento agli acceleratori la corrente aumenterà con il
tempo (anche di alcuni ordini di grandezza) a seguito del danneggiamento da
radiazione.
Inoltre è opportuno verificare la dipendenza dalla temperatura T della corrente di saturazione inversa (v. ad es. S.M.Sze, Semiconductor Devices, paragrafo 3.4.3, formula (73)) e la forma della curva I–V a basse tensioni (v. ad
es. ibidem, fig. 18b). Il rapido aumento della corrente a tensioni superiori a
quella di svuotamento (fenomeno di rottura o “breakdown” della giunzione) è
analizzato ad es. nel paragrafo 3.6 dello Sze, op.cit.
6.2
Misure di capacità
Per quanto riguarda i dati C–V è necessario valutare la tensione di svuotamento
di ciascun rivelatore: a tale scopo si possono eseguire (ad es.) due fit lineari ai
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due tratti rettilinei della curva 1/C 2 in funzione di V , e si può definire tensione
di svuotamento la tensione di intersezione delle due rette (si assume in questo
caso di avere a che fare con una giunzione a gradino). Per maggiori dettagli
sulla forma della curva C–V, vedere ad es. il paragrafo 3.3 dello Sze, op.cit.
Infine, dal valore asintotico della capacità e dall’area geometrica del rivelatore è possibile valutare lo spessore e confrontarlo con quello fornito dal
costruttore.
6.3
Misure di risoluzione spaziale
Per ciascuna posizione del rivelatore, calcolare il centro di gravità della
distribuzione dei segnali delle microstrip (per una maggiore precisione occorre
sottrarre, per ogni microstrip, al segnale in presenza di luce quello in assenza
di luce); esprimere il centro di gravità in µm tenendo conto che ogni microstrip
ha una ampiezza di 50 µm. Una possibilità per valutare il centro di gravità è
quella di effettuare un fit gaussiano sulla distribuzione dei segnali. Preparare
il grafico dei centri di gravità in funzione della coordinata impostata sulla vite
micrometrica, effettuare un fit con una funzione lineare; valutare la precisione
della misura in base agli scarti tra i dati e la funzione di fit.
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Documenti allegati
1. schema dei collegamenti per le misure C–V
2. dettaglio dei collegamenti per trigger e controllo temperatura
3. specifiche della “test fixture” (apparecchio di prova) HP 16065A
4. specifiche dei rivelatori “design W” (prodotti dalla Micron Semiconductor)
5. specifiche sulla precisione della SMU Keithley 236/237
6. specifiche sulla precisione del misuratore LCR HP 4284A
7. documento CERN-PPE/93-141 “VIKING, a CMOS low noise monolithic
128 channel frontend for Si-strip detector readout”
8. Manuali a disposizione in laboratorio: Keithley Model 236/237/238 S.M.U.
Operator’s Manual, Hewlett Packard 4284A Precision LCR Meter Operation Manual e altri
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