Rivelatori a semiconduttore

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1 Rivelatori a semiconduttore Luca Poletto Istituto Nazionale per la Fisica della Materia CNR poletto@dei.unipd.it

2 FOTODIODI 2

3 SEMICONDUTTORI I materiali si possono classificare in base al loro comportamento elettrico in: CONDUTTORI presenza di cariche elettriche mobili che possono spostarsi sotto l azione di forze elettriche ISOLANTI cariche elettriche fortemente legate agli atomi e non disponibili per costituire una corrente SEMICONDUTTORI: a temperatura molto bassa (vicina allo zero assoluto), si comportano come isolanti aumentando la temperatura, il valore della resistività diminuisce e sono in grado di condurre una piccola corrente a temperatura ambiente presentano un valore di resistività compreso tra quello dei conduttori e quello degli isolanti 3

4 BAND GAP Gli elettroni occupano solo livelli discreti di energia. La banda più bassa viene chiamata banda di valenza, quella più alta banda di conduzione; quest'ultima contiene gli elettroni che sono capaci di interagire con altri atomi, essa è responsabile delle proprietà chimiche dell'atomo e dunque stabilisce se esso è un conduttore, un isolante o un semiconduttore. Fra le due bande esiste una zona, che in condizioni normali risulta inaccessibile agli elettroni; questa prende il nome di gap proibito di energia E g (band gap). I conduttori hanno band gap nullo Gli isolanti hanno gap molto grandi I semiconduttori hanno gap intermedi 4

5 ASSORBIMENTO DI UN FOTONE L assorbimento di un fotone puo causare il passaggio di uno (o piu ) elettroni di valenza alla banda di conduzione producendo un segnale elettrico. L energia del fotone deve essere tale da superare il band gap, quindi esiste una massima lunghezza d onda di eccitazione max per ogni materiale data da: max (nm) = 1240/E g (ev) 5

6 DROGAGGIO Le proprieta elettriche di un semiconduttore possono essere alterate dall introduzione di impurita droganti (~1 parte in 10 6 ). Il semiconduttore si divide in Tipo n: si aggiunge nel silicio un drogante con piu di 4 elettroni di valenza (es. As) Tipo p : si aggiunge un drogante con meno di 4 elettroni di valenza (es. B) 6

7 RIVELATORI A GIUNZIONE La giunzione p-n consiste nella giunzione fra un semiconduttore di tipo n ed uno di tipo p. Nella zona attorno alla superficie di contatto gli elettroni della parte n tenderanno a diffondersi nella parte p, mentre le lacune della parte p tenderanno a diffondersi nella parte n, a causa delle diverse concentrazioni. Si stabilirà quindi una barriera di potenziale di segno tale da impedire un ulteriore passaggio di cariche attraverso la giunzione. Il risultato sarà la creazione di una regione, detta di svuotamento o di carica spaziale, in cui non vi sono cariche libere di alcun segno e con un eccesso di ioni negativi (accettori) nella zona p, e di ioni positivi (donatori) nella zona. Se si applica una differenza di potenziale dello stesso segno di quella che si stabilisce spontaneamente tra la zona p e la zona n, si esalta l'effetto descritto allargando la regione di svuotamento, che costituisce il volume sensibile dei rivelatori a giunzione. In tale condizione si dice che la giunzione è stata polarizzata inversamente. 7

8 FOTODIODI I fototodiodi convertono il segnale luminoso in segnale elettrico. Essi sfruttano le proprietà delle giunzioni pn. Quando un fotone viene assorbito può provocare il passaggio di un elettrone in banda di conduzione e la conseguente formazione di una lacuna. L'elettrone diffonde nella regione di svuotamento per poi passare nella parte drogata n. Quando nella giunzione p-n giungono sufficienti fotoni vengono formate abbastanza coppie elettrone-lacuna che creano una differenza di potenziale misurabile nel dispositivo. Tale differenza di potenziale da un segnale correlato all'intensità della luce incidente. 8

9 FOTODIODI CONVENZIONALI I fotodiodi convenzionali operano convertendo direttamente il fotone ottico in una coppia elettrone-lacuna. Per la costruzione di questi dispositivi possono essere adoperati differenti semiconduttori come silicio o germanio. Ognuno di questi materiali produce una differente curva di efficienza quantica. 9

10 RIVELATORI CCD 10

11 Charge Coupled Device (CCD) Il CCD è un dispositivo in Si organizzato in modo da formare una matrice di elementi fotosensibili in cui accumulare cariche (prodotte dalla radiazione incidente) e leggerne il contenuto successivamente. La struttura di un elemento base del CCD è quella di una capacità MOS. Applicando un potenziale all'elettrodo, questa particolare struttura consente di creare una regione dove accumulare cariche generate per effetto fotoelettrico 11

12 Funzionamento del CCD Schematizzando, si possono individuare quattro operazioni fondamentali: la generazione delle cariche per effetto fotoelettrico; la raccolta delle cariche nelle capacità MOS, tramite la creazione di buche di potenziale; il trasferimento delle cariche, variando i potenziali degli elettrodi in modo opportuno, verso lo stadio di lettura (shift register analogico); l'estrazione del segnale mediante il circuito di uscita che converte la carica in una tensione proporzionale 12

13 Funzionamento del CCD: raccolta delle cariche La raccolta delle cariche nel CCD avviene tramite la creazione di una buca di potenziale nella struttura MOS: questo avviene tramite la tensione applicata ad un contatto in polisilicio cristallino trasparente alla radiazione visibile depositato sopra il sottile strato di ossido. Dopo la generazione buca-elettrone, gli elettroni si accumulano nello strato di inversione. 13

14 Funzionamento del CCD: canale superficiale e canale sepolto Esistono due tipi di capacità MOS. Il primo è quello a canale superficiale, che ha il substrato uniformemente drogato. Quando l elettrodo è polarizzato, la regione di svuotamento si crea subito sotto lo strato di ossido: questo implica che i fotoelettroni prodotti sono direttamente esposti agli stati superficiali dell interfaccia silicio-dielettrico, il che crea rumore e diminuisce l efficienza di trasferimento delle cariche. Per questo motivo si utilizzano per la realizzazione dei CCD delle capacità MOS del secondo tipo, cioè a canale sepolto. In questo caso, un sottile strato di Si vicino all interfaccia con l ossido viene drogato N (opposto al drogaggio del substrato): si forma così un gradiente di potenziale sotto l elettrodo polarizzato, ed il livello energetico più basso della buca di potenziale è posto in profondità, lontano dall interfaccia con l ossido. 14

15 Funzionamento del CCD: polarizzazione del canale sepolto Diagramma delle bande di energia e del potenziale elettrostatico nella capacità MOS non polarizzata. I fotoelettroni generati dalla radiazione incidente si accumulano dove l energia è minima (massimo del potenziale). Diagramma delle bande di energia e del potenziale elettrostatico nella capacità MOS polarizzata a 10 V in cui della carica è stata raccolta. 15

16 Funzionamento del CCD: canali di stop Si nota che nella struttura del MOS vi sono due regioni al di sotto delle quali il silicio e fortemente drogato P: in questo modo, il potenziale elettrostatico in queste regioni è abbastanza insensibile alla tensione (o alla variazione di tensione) applicata sul contatto. Così facendo, la carica raccolta nel canale sepolto viene confinata ad una regione al di sotto dell elettrodo. Queste regioni sono i cosiddetti channel stops. 16

17 Funzionamento del CCD: il pixel Un pixel del CCD è realizzato (in un CCD a tre fasi) tramite tre elettrodi in polisilicio posti trasversalmente a due regioni channel-stop. Se il potenziale nell elettrodo mediano è più positivo degli altri due, si crea un minimo locale di energia potenziale ed i fotoelettroni si raccolgono sotto a questo elettrodo. Le lacune diffondono nel materiale e vengono raccolte nel substrato P. La carica raccolta nella buca è linearmente collegata all intensità del flusso di fotoni e al tempo di integrazione. NB: Esistono anche CCD con pixel a due e a quattro fasi 17

18 Funzionamento del CCD: trasferimento della carica Il trasferimento di carica è quell operazione che sposta i pacchetti di carica lungo gli elementi del CCD fino alla porta di lettura. 18

19 L output del CCD Alla fine dello shift register c è un amplificatore di uscita che converte la carica raccolta in un segnale in tensione. Un esempio di struttura dell uscita è il seguente: Portando ON il reset FET, il punto di floating diffusion si porta alla tensione del reset drain. Poi si porta OFF il reset FET, e si isola la floating diffusion. Quando si abbassa il potenziale del last gate dello shift register, gli elettroni arrivano alla floating diffusion. Se G è il guadagno del FET di uscita, la tensione che si ha in uscita dal circuito è V = G Q/C T, dove Q è la carica trasferita e C T è la capacità totale del nodo di uscita. La carica di un elettrone è sufficiente a variare la tensione di circa 1 V. 19

20 Il CCD come rivelatore bidimensionale Tipicamente il CCD consiste di un array rettangolare di pixels Es. E2V 2k X 4k 20

21 Risposta spettrale del CCD Front Illuminated CCD (visibile e vicino UV) Back Illuminated CCD (dal vicino infrarosso ai raggi X soffici) 21

22 RIVELATORI APS 22

23 CMOS APS (Active Pixel Sensor) Il CMOS active pixel sensor (APS) è un sensore a stato solido su silicio. Il goal di questa tecnologia è quello di realizzare una camera on a chip che abbia una completa interfaccia digitale. In questo modo, un sistema di acquisizione di immagini completo consiste di: ottiche, alimentatore, array CMOS APS con ADC realizzato on-chip e microprocessore per caricare le istruzioni al sistema e scaricare i dati. 23

24 CMOS APS: realizzazione del pixel La tecnologia CMOS APS utilizza transistor attivi in ogni pixel per raccogliere i fotoelettroni. In questo modo, la conversione di fotoni in tensione avviene all interno del pixel (diversamente da quello che si ha con il CCD). Sezioni (non in scala) di due possibili schemi del pixel in un CMOS APS. 24

25 CMOS APS: vantaggi rispetto al CCD L approccio CMOS APS ha diversi vantaggi rispetto ai CCD: La tecnologia CMOS APS è completamente CMOS compatibile, per cui è facile integrare il timing on-chip e l elettronica di controllo, riducendo i costi e la complessità di realizzazione. Il costo di realizzare un wafer CMOS è un terzo di quello di fabbricare un simile wafer per CCD che utilizza un processo speciale Tutte le operazioni sono TTL compatibili (0-5V), per cui basta una singola alimentazione La scelta della regione attiva all interno dell area del rivelatore puo essere fatta in modo completamente casuale. Basta una bassa potenza: sono stati realizzati APS a 3.3 V con una potenza di 0.3 W. 25

26 APS: dispositivi Es. Fillfactory 1.3k 2k 26