Rivelatori a Semiconduttore - Gruppo 3
Rivelatori a Semiconduttore - Gruppo 3
Rivelatori a Semiconduttore - Gruppo 3
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<strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong><br />
Michele Floris<br />
Laboratorio I<br />
Dicembre 2007
Sommario<br />
Lezione 1: Fisica dei Semiconduttori e<br />
Principio di Funzionamento dei <strong>Rivelatori</strong> a<br />
<strong>Semiconduttore</strong><br />
Lezione 2: <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> e loro<br />
Applicazioni, Danno da radiazione<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 2
Lezione 1<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 3
Testi<br />
W.R. Leo Techniques for Nuclear and<br />
Particle Physics Experiments, second<br />
revised edition, Springer-Verlag, 1994<br />
G.F. Knoll, Radiation Detection and<br />
Measurement, Third Edition, John Wiley &<br />
sons, 2000<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 4
<strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong><br />
<strong>Rivelatori</strong> basati principalmente su Silicio e<br />
Germanio (Tetravalenti)<br />
Vantaggi in diverse applicazioni<br />
Risoluzione in Energia<br />
Energia necessaria per produrre portatori<br />
Materiale Solido<br />
<strong>Rivelatori</strong> Compatti<br />
Risoluzione Spaziale<br />
Segmentazione<br />
<strong>Rivelatori</strong> di piccole dimensioni<br />
Può essere uno svantaggio<br />
Svantaggi<br />
Danno da radiazione<br />
Limitazione sulle dimensioni<br />
Raffreddamento (alcuni, e.g. Ge)<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 5
Lezione 1<br />
Fisica dei Semiconduttori<br />
Struttura a bande<br />
Drogaggio<br />
La giunzione pn<br />
Principio di Funzionamento dei <strong>Rivelatori</strong> e<br />
caratteristiche operative<br />
Il reverse-bias<br />
Leakage current<br />
…<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 6
La struttura a bande<br />
Banda di conduzione<br />
Gap di energia<br />
> 5 eV<br />
~ 1 eV<br />
Banda di valenza<br />
Isolante<br />
<strong>Semiconduttore</strong><br />
La struttura a bande ha origine nei solidi cristallini per la<br />
disposizione periodica degli atomi nel reticolo (e.g. Kronig-<br />
Penney).<br />
I livelli nella banda di valenza sono localizzati attorno ad un<br />
atomo del reticolo.<br />
I livelli nella banda di conduzione non sono localizzati attorno<br />
ad un atomo specifico.<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 7
Il silicio ed il germanio<br />
Elementi del IV gruppo della tavola<br />
periodica<br />
Struttura cristallina tetraedrica.<br />
Ogni atomo è legato da un doppio legame<br />
covalente ai 4 atomi vicini.<br />
Gap di energia: ~1.1 eV (Si), ~0.7 eV (Ge)<br />
Tra i più usati come rivelatori di particelle<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 8
Portatori di Carica<br />
A T ≠ 0, alcuni elettroni di un semiconduttore<br />
hanno abbastanza energia<br />
da raggiungere banda di conduzione<br />
Banda di conduzione<br />
elettrone<br />
Lo spazio vuoto lasciato in banda di<br />
valenza (buca) si comporta come un<br />
portatore di carica positivo<br />
Banda di valenza<br />
<strong>Semiconduttore</strong><br />
buca<br />
2 tipi di portatori di carica.<br />
conduce a T ≠ 0!<br />
Principio di funzionamento dei rivelatori: l’energia depositata<br />
da una particella ionizzante crea coppie elettrone-buca che<br />
possono essere raccolte (analogo elettrone-ione in rivelatori a<br />
gas)<br />
Semiconduttori: E coppia ≈ 3 eV<br />
Gas E coppia ≈ 30 eV – Scintillatore E foto el. ≈ 400 – 1000 eV<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 9
La probabilità di generazione<br />
termica è proporzionale al<br />
fattore di Boltzmann<br />
Densità di portatori<br />
p<br />
gen<br />
∝<br />
C<br />
⋅<br />
e<br />
−<br />
E<br />
g<br />
/<br />
kT<br />
La probabilità di<br />
ricombinazione<br />
è approx.<br />
combinatoria<br />
p rec<br />
∝<br />
n<br />
⋅<br />
p<br />
All’equilibrio<br />
(np costante a T fissata )<br />
n<br />
⋅<br />
p<br />
=<br />
C<br />
⋅<br />
e<br />
−<br />
E g<br />
/<br />
kT<br />
Per un materiale puro<br />
n =<br />
i<br />
p<br />
i<br />
⇒<br />
n<br />
i<br />
=<br />
C<br />
⋅<br />
e<br />
−E<br />
g<br />
/<br />
2kT<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 10
Densità di portatori – 2<br />
p<br />
i<br />
=<br />
n<br />
i<br />
=<br />
A<br />
⋅T<br />
3/<br />
2 −<br />
⋅e<br />
E<br />
g<br />
/<br />
2kT<br />
Dipende dal Materiale<br />
Statistica di Fermi/Dirac<br />
Dipende<br />
esponenzialmente<br />
da E g<br />
Silicio a temperatura ambiente: n i = p i = 10 10 cm -3<br />
“intrinseco” (puro)<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 11
Modello Semiclassico<br />
Possiamo ricavare alcune delle proprietà dei semiconduttori in un<br />
modello semi-classico in cui:<br />
Moto termico casuale, portatori assumono un velocità<br />
casuale dopo urti<br />
(vedi es. Fisica di Berkeley Vol.2 Cap. 4)<br />
In generale µ dipende sia da E che da T. Valgono approssimativamente le<br />
seguenti relazioni:<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 12
Densità di corrente<br />
E<br />
A<br />
v dt<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 13
Resistività/Conduttività<br />
Elettroni e buche<br />
hanno versi della<br />
velocità opposti<br />
Legge di Ohm<br />
Quindi:<br />
ρ in = σ -1 = 230 000 Ω cm (ideale!)<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 14
Semiconduttori Drogati<br />
Finora assunti Semiconduttori puri<br />
impurezze modificano proprietà<br />
impurezze controllate Drogaggio (doping)<br />
Elementi del V gruppo<br />
Un elettrone di valenza in più<br />
Non partecipa al legame<br />
Tipo n<br />
Elementi del III gruppo<br />
Un elettrone di valenza in meno<br />
Possono catturare elettrone<br />
Tipo p<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 15
Semiconduttori Drogati<br />
Banda di conduzione<br />
Banda di conduzione<br />
Banda di valenza<br />
Tipo n<br />
Banda di valenza<br />
Tipo p<br />
Impurezze (droganti) introducono livelli intermedi molto vicini<br />
a banda di valenza/conduzione<br />
Atomi droganti tutti ionizzati a temperatura ambiente<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 16
Materiali di tipo n<br />
A temperatura ambiente quasi tutti i donori sono ionizzati.<br />
Concentrazione donori<br />
(n+p = 2 · 10 10 cm -3 )<br />
Concentrazione buche<br />
fortemente soppressa<br />
Es. N D = 10 13 cm -3 n = 10 13 , p = 10 7 cm -3 NB Materiale è neutro<br />
n+p ~ 10 13<br />
Elettroni dominano concentrazione portatori!<br />
e portatori maggioritari , h portatori mioritari<br />
Typ. N D = 10 13 /cm 3<br />
ρ = 463 Ω cm<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 17
Materiali compensati / Materiali fortemente doppati<br />
Considerazioni analoghe valgono per<br />
materiali di tipo p<br />
Si possono drogare semiconduttori con (~)<br />
uguali concentrazioni di donori e accettori<br />
Materiali compensati<br />
Resistività molto alta: ρ ≈ 10 5 Ω cm<br />
Materiali con concentrazioni molto alte<br />
doppanti heavily doped (p + , n + )<br />
Spesso usati per i contatti<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 18
Difetti del reticolo<br />
I difetti del reticolo possono modificare struttura a bande<br />
del semiconduttore ed introdurre livelli intermedi<br />
Possono anche modificare drogaggio effettivo<br />
Point defects<br />
Vacancy<br />
Interstitial<br />
Possono anche formarsi strutture di difetti complesse<br />
Origine difetti:<br />
crescita cristallo, shock termico, deformazione, radiazione<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 19
Trappole/Ricombinazione<br />
Difetti strutturali e impurezze possono introdurre<br />
livelli intermedi (anche profondi)<br />
Banda di conduzione<br />
1<br />
2<br />
Banda di valenza<br />
Centro di<br />
ricombinazione<br />
o “trappola”<br />
Silicio puro ricombinazione evento raro<br />
Livelli intermedi possono catturare più facilmente portatori<br />
1. Trapping portatori rilasciati dopo un certo tempo<br />
2. Recombination portatori si ricombinano<br />
Diminuzione Efficienza raccolta cariche (CCE) in entrambi I casi<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 20
Fotoni<br />
Particelle<br />
cariche<br />
Radiazione nei semiconduttori<br />
Effetto fotoelettrico<br />
Effetto Compton<br />
Produzione di coppie<br />
Ioniz. diretta<br />
Inoiz. indiretta<br />
es. elettroni di alta energia (raggi δ)<br />
Coppie e/h<br />
ε = Energia/Coppia ~ 3 eV<br />
in buona approx non dipende da particelle/energia<br />
Gap ~ 1 eV ~ 2/3 E va in eccitazione reticolo<br />
Più precisamente: ε cresce al decrescere di T<br />
Ioni pesanti / frammenti di fissione <br />
ε molto maggiore (pulse height defect)<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 21
Come fare un rivelatore<br />
- 500 V +<br />
<strong>Semiconduttore</strong><br />
NO<br />
Leakage current<br />
ρ = 5 10 4 Ω cm; l = 0.1 cm; S = 1 cm 2<br />
R = ρ (l/S) = 5 10 3 Ω. ∆V = 500 V I = 0.1 A<br />
Contro I = 10 -6 A per 10 5 coppie<br />
Buon rivelatore I ≈ 10 -9 A<br />
Usare un diodo<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 22
La Giunzione pn<br />
E<br />
neutro<br />
ρ<br />
neutro<br />
tipo n<br />
tipo p<br />
Assenza di cariche<br />
Mobili per effetto del<br />
campo elettrico!<br />
Regione di svuotamento<br />
(depletion region)<br />
Es. Contatto diffusione<br />
droganti p in materiale<br />
di tipo n<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 23
n<br />
p<br />
ρ<br />
La Giuzione pn<br />
ρ<br />
n +<br />
p<br />
E<br />
E<br />
V<br />
V<br />
~ 1 V<br />
~ 1 V<br />
Potenziale di contatto
Spessore Regione di svuotamento – 1<br />
Lo spessore della regione di svuotamento e altre<br />
propietà può essere calcolato in un semplice modello:<br />
eN D<br />
ρ<br />
-a<br />
b<br />
eN A<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 25
Spessore Regione di svuotamento – 2<br />
+<br />
INT<br />
INT<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 26
Spessore Regione di svuotamento – 3<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 27
Spessore Regione di svuotamento – 4<br />
d<br />
2<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 28<br />
A
Valore massimo del Campo Elettrico<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 29
Capacità<br />
Capacità per unità di Area<br />
La capacità varia con la tensione di lavoro!<br />
È necessario usare charge sensitive preamplifier.<br />
Aumentando V diminuisce C minore C migliori<br />
le caratteristiche S/N del rivelatore<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 30
Polarizzazione Diretta<br />
tipo n<br />
tipo p<br />
- +<br />
i<br />
V<br />
La regione di svuotamento si<br />
riduce<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 31
Polarizazzione inversa<br />
tipo n<br />
tipo p<br />
+ - i<br />
V<br />
La regione di svuotamento<br />
cresce<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 32
Polarizzazione diretta ed inversa<br />
I<br />
Polarizzazione Diretta<br />
•Molta corrente<br />
•Regione di svuotamento si riduce<br />
•Barriera di potenziale si abbassa<br />
V<br />
Polarizzazione Inversa<br />
•Poca corrente<br />
•Regione di svuotamento cresce<br />
•Barriera di potenziale cresce<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 33
Come fare un rivelatore<br />
Giunzione polarizzata inversamente ha tutte le<br />
proprietà per essere usata come rivelatore:<br />
Piccola corrente di buio (leakage current)<br />
Regione di svuotamento è la parte sensibile del<br />
rivelatore<br />
+<br />
Aumentando tensione<br />
-<br />
cresce regione di<br />
n<br />
svuotamento ed efficienza<br />
+ p<br />
V<br />
di raccolta cariche<br />
(potenziale di contatto<br />
e’ troppo piccolo)<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 34
Riassunto<br />
Giunzione pn polarizzata inversamente<br />
come rivelatore di particelle<br />
Aumentando V:<br />
Cresce depletion region<br />
Aumenta E max<br />
Diminuisce Capacità<br />
Migliorano le prestazioni<br />
del rivelatore<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 35
Contatto rettificante<br />
Rivelatore a diodo<br />
p + n + Bias<br />
n<br />
Contatto bloccante<br />
Volume sensibile<br />
Contatto metallico<br />
Contatti con materiali fortemente doppati per prevenire<br />
formazioni di barriere all’interfaccio metallo/semiconduttore<br />
e per limitare leakage current (pochissimi port. minoritari)<br />
(Finestra di ingresso/dead layer)<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 36
Fully Depleted / partially depleted<br />
E<br />
V >V d<br />
V = V d<br />
V < V d<br />
T<br />
Regione di svuotamento / Campo elettrico crescono con V<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 37
Configurazioni<br />
n<br />
Intrinseco<br />
o<br />
compensato<br />
p<br />
p + n + p + n + p + n +<br />
p-i-n configuration<br />
E E E<br />
Alta resistività (materiale intrinseco): maggiore regione di svuotamento<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 38
Fine<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 39
Lezione 2<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 40
Sommario<br />
Caratteristiche operazionali<br />
Applicazioni<br />
Tipi di rivelatori e procedure di fabbricazione<br />
Diodi<br />
<strong>Rivelatori</strong> al Silicio<br />
<strong>Rivelatori</strong> al Germanio<br />
Altri Semiconduttori<br />
<strong>Rivelatori</strong> di posizione<br />
Tracking<br />
Danno da radiazione<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 41
Contatto rettificante<br />
Rivelatore a diodo<br />
Finestra di ingresso/<br />
Dead layer<br />
p + n + Bias<br />
n<br />
i leak<br />
T<br />
Contatto bloccante<br />
Volume sensibile<br />
Contatto metallico<br />
Fully depleted
Effetti del Bias Voltage<br />
Aumentare Bias voltage<br />
Cariche raccolte più rapidamente<br />
Meno perdite<br />
Saturazione<br />
Campo sufficientemente alto moltiplicazione<br />
Silicon avalanche detectors<br />
Tempo di salita<br />
<strong>Rivelatori</strong> molto veloci (~ 10 ns)<br />
Tempo di transito<br />
Fully depleted aumentare V aumenta E<br />
Partially depleted aumentando V aumenta anche d<br />
Tempo di plasma (heavy charged particles)<br />
Densità cariche abbastanza alta da formare plasma che<br />
scherma interno<br />
Ritardo nella formazione del segnale e tempo di salita<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 43
Leakage Current<br />
Origine<br />
Polarizzazione inversa blocca maggioritari,<br />
minoritari conducono, generati continuamente,<br />
proporzionale area giunzione<br />
Generazione termica, proporzionale al volume<br />
della depletion region<br />
Effetto su bias<br />
Bias via resistenza in serie<br />
Voltage drop monitorare I<br />
Variazioni brusche danni al rivelatore<br />
Indicazioni su danno da radiazione<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 44
Temperatura<br />
La temperatura aumenta la leakage current<br />
Circa fattore 3 ogni 10 Gradi<br />
Riducendo temperatura diminuisce noise,<br />
ma aumenta leggermente il Gap<br />
<strong>Rivelatori</strong> al Ge devono essere raffreddati<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 45
Strati inattivi<br />
Finestra di ingresso e dead layer<br />
Solo la regione di svuotamento è la parte attiva<br />
del rivelatore<br />
Attenzione in spettroscopia di precisione<br />
Ioni pesanti lasciano gran parte energia all’inizio<br />
(vedi pulse height defect, non unico motivo)<br />
Channeling<br />
Se la particella è parallela a certe direzione<br />
reticolari, può penetrare molto di più nel<br />
rivelatore<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 46
Fattore di Fano<br />
Produzione di coppie e/h segue, a priori, statistica di Poisson.<br />
Varianza del numero di coppie prodotte (determina<br />
risoluzione in energia) uguale al valor medio:<br />
E / ε<br />
Fattore di Fano quantifica discrepanza tra questa predizione<br />
e varianza osservata<br />
F ≡ (Varianza osservata) · ε / E<br />
Discrepanza dovuta al fatto che eventi non sono indipendenti<br />
F ≈ 0.12<br />
Sia per silicio che per germanio, anche se valore non è<br />
determinato in maniera precisa.<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 47
Linearità<br />
Se tutte particelle sono fermate nel rivelatore:<br />
V = Q/C = n E/(εC)<br />
Risposta Lineare<br />
Efficienza raccolta cariche<br />
Se le particelle escono dal rivelatore il ∆E<br />
misurato non varia linearmente con E<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 48
Formazione dell’impulso<br />
I<br />
Portatore 1<br />
Portatore 2<br />
Assumendo che tutte le<br />
cariche siano formate in<br />
un singolo punto<br />
Carica Indotta<br />
tempo<br />
Totale<br />
Portatore 1<br />
Portatore 2<br />
In rivelatori al silicio<br />
mobilità simili<br />
(fattore 2-3)<br />
In rivelatori a Gas ioni<br />
molto più lenti<br />
tempo<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 49
Amplificazione del Segnale<br />
Segnali piccoli<br />
Capacità può variare con T e Bias Voltage<br />
Charge Sensitive Preamplifier<br />
2 accoppiamenti con elettronica<br />
AC: più semplice, rumore<br />
aumenta per ulteriore C<br />
DC: no elettrodo a terra,<br />
leakage current passa per<br />
il preamp, meno ruomore<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 50
Applicazioni dei rivelatori a semiconduttore<br />
Spettroscopia di particelle cariche<br />
A partire dagli anni 60<br />
Vantaggi su rivelatori concorrenti<br />
Risoluzioni in Energia<br />
Finestra di ingresso<br />
Timing<br />
A<br />
Dimensioni compatte<br />
Dimensioni<br />
Massime: A ~ 20 cm 2 , d ~ 5 mm<br />
Tipiche: A ~ 1-5 cm 2 , d ~ 1 mm<br />
Spettroscopia di α<br />
Frammenti di fissione<br />
Ioni pesanti<br />
pulse height defect (plasma + finestra di ingresso + int. nucleari)<br />
Spettroscopia γ (Ge)<br />
Conteggio di particelle<br />
Informazione spaziale (Tracking – anni 80)<br />
d<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 51
Tipi di rivelatore<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 52
<strong>Rivelatori</strong> a giunzione diffusa<br />
Tra i primi dispositivi costruiti come rivelatori<br />
Diffusione di impurezze n (e.g. fosforo) in<br />
bulk p<br />
T ≈ 1000°C riduce vita media portatori,<br />
aumenta rumore<br />
Superficie diventa fortemente doppata<br />
Finestra di ingresso<br />
Resistenti<br />
Non molto usati<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 53
Surface barrier detector<br />
Giunzione formata da un metallo e da un semiconduttore<br />
(Barriera Schottky), e.g. tipo n + Au, tipo p + Al.<br />
Proprietà simili a giunzione pn<br />
Sensibili alla luce<br />
Strato superficiale fragile,<br />
sensibile a vapori, non<br />
deve mai essere toccato<br />
direttamente<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 54
Ion inplanted<br />
Drogaggio può anche essere effettuato con un fascio di ioni<br />
prodotti in un acceleratore, per esempio fasci di Fosforo o Boro<br />
Range degli ioni ben definito: e’ possibile controllare<br />
accuratamente profilo del drogaggio<br />
Vengono poi riscaldati (annealing) per ridurre effetti del danno<br />
da radiazione (T ~ 500 C, minore che nei diffused junction<br />
detector, cristallo meno disturbato meno difetti)<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 55
Diffusione di litio<br />
Procedimento per creare materiali<br />
compensati: diffusione di litio (donore) in<br />
materiali di tipo p.<br />
Configurazione p-i-n<br />
Alta resistività del materiale compensato<br />
porta ad avere una regione di<br />
svuotamento profonda (diversi mm)<br />
Mobilità del litio Raffreddare alla<br />
temperatura dell’azoto liquido sempre!<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 56
Passivated planar<br />
Metodi inizialmente usati per circuiti<br />
integrati utilizzati per fabbricazione<br />
di rivelatori<br />
(alta temperatura)<br />
(fotolitografia)<br />
Produzione simultanea di molti<br />
rivelatori in wafer di silicio<br />
L’ossido mantiene leakage current<br />
molto inferiore che nei surface<br />
barrier<br />
Tipo di procedimento molto utile<br />
anche nei rivelatori finemente<br />
segmentati<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 57
<strong>Rivelatori</strong> al Germanio<br />
Per la spettroscopia γ sono preferiti i rivelatori al<br />
Germanio<br />
Z si = 14, Z Ge = 32 σ Ge ~ 60 σ si (fotoelettrico)<br />
Per γ e’ necessario aumentare regione sensibile:<br />
Aumentare ρ (diminuire N)<br />
Materiali Intrinseci<br />
esistono tecniche solo per il Ge<br />
Materiali compensati<br />
Vantaggi<br />
Alto Z<br />
Maggiore efficienza<br />
Maggiore stopping<br />
Svantaggi<br />
Raffreddamento, in pratica conveniente solo per i γ<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 58
<strong>Rivelatori</strong> Ge(Li)<br />
Germanio p compensato con litio<br />
Spessore massimo 15-20 mm<br />
Geometria coassiale per aumentare<br />
spessore<br />
Strato morto puo’ anche essere<br />
rimosso<br />
Materiale deve essere sempre tenuto<br />
alla temperatura dell’azoto liquido<br />
Sensitività limitata da finestra di<br />
ingresso del criostato e strato morto<br />
Limite ~ 10 keV<br />
Li<br />
Li<br />
p<br />
Li<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 59
<strong>Rivelatori</strong> con germanio intrinseco (HPGe)<br />
Tecnologia recente ha permesso di fabbricare<br />
rivelatori con impurezze < 10 10 atomi /cm 3<br />
A <strong>Rivelatori</strong> HPGe (High purity Germanium)<br />
Più pratici e più resistenti alle radiazioni<br />
Sensitività: ~ keV<br />
60<br />
CO<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 60
<strong>Rivelatori</strong> ad alto Z<br />
Il germanio deve sempre essere raffreddato<br />
durante il funzionamento<br />
Sforzi per cercare di produrre semiconduttori ad<br />
alto Z che possano funzionare a temperatura<br />
ambiente<br />
Due candidati: CdTe ed HgI 2 . ε ~ 4.4 eV<br />
Costosi<br />
Difficile fabbricare<br />
grandi volumi<br />
HgI 2 problemi di Z<br />
CdTe<br />
48 / 52<br />
HgI 2<br />
80 / 53<br />
efficienza raccolta<br />
cariche<br />
CdTe commercializzato<br />
Gap 1.45 eV 2.14 eV<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 61
Tracking<br />
Poco materiale<br />
B<br />
Fit<br />
Fascio<br />
Fascio<br />
Fascio<br />
Bersaglio<br />
Particelle<br />
Fixed Target<br />
Collider<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 62
<strong>Rivelatori</strong> per il tracking – fixed target<br />
NA60 (Cern SPS)<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 63
<strong>Rivelatori</strong> per il tracking – Collider<br />
ALICE (Cern LHC)<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 64
<strong>Rivelatori</strong> di posizione – Continui<br />
Un diodo con un elettrodo<br />
resistivo e uno metallico<br />
Carica rivelata in B e’ una<br />
frazione della carica totale<br />
(misurata in E)<br />
x = (B/E) L<br />
Problemi: linearita del segnale di<br />
posizione (B)<br />
Risoluzione spaziale ~ 250 µm<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 65
<strong>Rivelatori</strong> di posizione – Strip<br />
Array di elementi sensibili<br />
Limitazione in risoluzione data<br />
da spaziatura tra strip<br />
Svantaggio: quantità di elettronica richiesta<br />
A volte si usano network resistivi<br />
(analogo a rivelatori continui)<br />
Microstrip risoluzione spaziale 5 µm<br />
(pitch 20 µm, baricentro di carica)<br />
Anni ’80<br />
Spessore ~ 300 µm - V d<br />
~ 160 V<br />
matrix<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 66
<strong>Rivelatori</strong> di posizione – Silicon drift<br />
p + due regioni vuote e una undepleted al centro<br />
Un solo elettrodo n +<br />
Reverse bias svuota completamente il sensore e crea un<br />
profilo particolare del potenziale.<br />
Buche raccolte ai p+ più vicini,<br />
elettroni all’unico elettrodo n.<br />
Differenza in tempo posizione<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 67
<strong>Rivelatori</strong> di posizione – pixel<br />
Ambiguità nella determinazione della<br />
posizione in 2D!<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 68
<strong>Rivelatori</strong> di posizione – pixel<br />
300 µm<br />
Sensore<br />
Chip di readout<br />
750 µm<br />
25 µm solder bump<br />
Granularita!<br />
Pixel 50 x 400 µm<br />
Bump Bonding<br />
Danno da radiazione nell’elettronica<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 69
Conclusioni<br />
<strong>Rivelatori</strong> a semiconduttore presentano<br />
vantaggi in molte applicazioni<br />
Diodo e’ l’elemento sensibile di base,<br />
regione di svuotamento e’ l’area attiva<br />
<strong>Rivelatori</strong> per spettroscopia (Si, Ge, CdTe)<br />
<strong>Rivelatori</strong> per tracking (Strip/Pixel)<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 70
Danno da Radiazione<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 71
Sommario<br />
Ipotesi NIEL<br />
Effetti della radiazione nei Sensori<br />
Cambiamento del doping efficace<br />
Type inversion<br />
Aumento della tensione di Full depletion<br />
Aumento della leakage current<br />
Danno da radiazione nell’elettronica<br />
Principalmente rivelatori a Pixel di Silicio<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 72
Ipotesi NIEL<br />
Il danno da radiazione nei rivelatori al Silicio<br />
ha origine dalle interazioni con la radiazione<br />
incidente<br />
La ionizzazione è un effetto transitorio ed è<br />
alla base del principio di funzionamento dei<br />
rivelatori<br />
Le interazioni con il reticolo cristallino<br />
possono indurre i danni da radiazione<br />
Ipotesi NIEL: il danno da radiazione scala<br />
con l’energia non utilizzata per la<br />
ionizzazione (Non Ionizing Energy Loss)<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 73
Effetto di particelle differenti<br />
A. Vasilescu (INPE Bucharest) and<br />
G. Lindstroem (University of Hamburg),<br />
Displacement damage in silicon, on-line compilation<br />
L’entità del danno da radiazione dipende fortemente dal tipo di particella e<br />
dalla sua energia<br />
Generalmente radiazione integrata è espressa in “flusso integrato di<br />
neutroni equivalenti da 1 MeV”<br />
1 MeV equivalent neutrons fluence<br />
Fluence vs Flux<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 74
Difetti indotti dalla radiazione<br />
Difetti primari<br />
Mobili a temperatura ambiente<br />
Vacanze<br />
Interstiziali<br />
Possono interagire con altri<br />
difetti e formare complessi<br />
stabili<br />
I complessi possono<br />
inattivare droganti o formare<br />
livelli intermedi<br />
Modifica delle proprietà<br />
elettriche<br />
Dettagli dipendono da molti particolari: tipo di radiazione,<br />
tipo di materiali, drogaggio, impurezze in origine etc.<br />
Formule empiriche!<br />
Aumento del Depletion Voltage e della Leakage Current<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 75
Danno da radiazione<br />
Livelli intermedi introdotti dai difetti riducono<br />
l’efficienza di raccolta cariche (CCE) e la vita<br />
media dei portatori<br />
Nei rivelatori a strip/pixel si può avere una<br />
diminuzione della resistenza tra una strip e<br />
l’altra con conseguente perdita di risoluzione<br />
spaziale<br />
Effetti macroscopici<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 76
Effetti dei difetti indotti dalla radiazione<br />
Tre effetti principali possono essere indotti dalla<br />
radiazione<br />
Aumento del Depletion Voltage<br />
Aumento della Leakage Current<br />
Cambiamento del doppaggio efficace<br />
Strip (pixel)<br />
Contatto rettificante<br />
Depletion Region<br />
Bulk<br />
Backplane<br />
Contatto bloccante<br />
Consideriamo come esempio un rivelatore p-on-n, a strip o pixel.<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 77
Drogaggio Efficace<br />
N eff = N D - N A<br />
Concentrazioni iniziali<br />
Sperimentali<br />
Tipo n<br />
Donori dimiuiscono<br />
Accettori crescono<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 78
Type Inversion<br />
Dopo una certa dose accumulata il bulk di tipo n diventa di tipo p<br />
Inversione di Tipo (Type Inversion)<br />
Prima della type inversion<br />
Contatto rettificante<br />
Depletion Region<br />
Dopo la type inversion<br />
Contatto bloccante<br />
Dopo la type inversion il sensore deve essere<br />
fully depleted per operare correttamente<br />
Contatto rettificante<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 79
Type Inversion – 2<br />
La tensione necessaria perché la regione<br />
di svuotamento si estenda all’intero<br />
sensore (depletion voltage) diminuisce<br />
fino a type inversion, quindi cresce<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 80
Aumento della leakage current<br />
I livelli intermedi prodotti dal danno da radiazione facilitano<br />
la formazione di copie elettrone-buca termiche<br />
Aumento della leakage current legato a maggior numero di<br />
portatori<br />
Generati sull’intero volume: dipendenza lineare da<br />
radiazione integrata<br />
Aumento della leakage current porta a maggior rumore e<br />
potenza dissipata<br />
Monitorare corrente consente di stimare danno subito dal<br />
rivelatore<br />
damage rate<br />
eq. fluence<br />
volume<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 81
Miglioramento della Resistenza del Rivelatore<br />
Defect engenering: è stato mostrato che<br />
l’introduzione di ossigeno nei sensori<br />
migliora la resistenza<br />
Device engeneering: sviluppare sensore di in<br />
modo che depletion region cresca dal lato<br />
segmentato dopo type inversion<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 82
Annealing<br />
I difetti creati dalla radiazione sono mobili<br />
Trattamento termico che porta a<br />
cambiamento delle proprietà di un materiale<br />
annealing<br />
La variazione è più rapida a temperature più<br />
alte<br />
Annealing a temperatura ambiente<br />
Beneficial annealing inizialmente, poi<br />
prestazioni peggiorano<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 83
Danno da radiazione nell’elettronica<br />
Transistor MOSFET (CMOS)<br />
L’applicazione di una tensione<br />
positiva al gate permette a corrente<br />
di scorrere tra drain e source<br />
Ionizzazione prodotta dalla radiazione<br />
Carica statica nell’ossido<br />
Cambiamento di valori logici (SEU)<br />
Riduzione delle dimensioni: tecnologie<br />
sub-µm intrinsecamente resistenti<br />
Tecniche di disegno<br />
Tecniche di disegno:<br />
Ridondanza + integrità dati<br />
Dicembre 2007 <strong>Rivelatori</strong> a <strong>Semiconduttore</strong> - Laboratorio I 84