CMOS Monolithic Active Pixel Sensors (CMOS MAPS)

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CMOS Monolithic Active Pixel Sensors (CMOS MAPS)

• Breve introduzione allultima generazione di
  rivelatori al silicio a pixel sfruttanti
  unelettronica CMOS

Emanuele Biolcati Laboratorio di Fisica Nucleare
e Subnucleare II A.A. 2005 / 2006 Prof. Marco
Costa
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Ma cosa sono questi MAPS?
Nei rivelatori a pixel lelettronica è
strutturata in una matrice che viene poi saldata
ai pixel stessi attraverso bump bonds
Nei CMOS MAPS lelettronica è impiantata
direttamente sul pixel mediante una tecnologia
CMOS
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I MAPS crescono

• Anni 90 ? proposta lidea di rivelatori a pixel
  CMOS come alternativa ai CCD
• Nascono due tipi di rivelatori
• PPS (passive pixel sensor)
• APS (active pixel sensor)
• ? Problema scarso fill factor (20)
• Da unidea di R. Turchetta, si riescono a
  confinare in un unico strato di Si ? vengono
  quindi detti monolitici

Monolithic Active Pixel Sensor
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Struttura e CMOS
Potenza dissipata di circa 100mW per qualche
milione di pixel!
Matrice di pixel

• Su ogni pixel sono impiantati 3 transistor
• reset
• source follower input
• row select

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Processo di rivelazione
Lelemento che raccoglie la carica è un diodo
n-well (n) sullo strato epitassiale (80 coppie
elettrone-lacuna per µm)
I tre transistor sono integrati nel p-well (p)
A causa della differenza di drogaggio, di qualche
ordine di grandezza, gli strati p-well e p
agiscono da barriere riflettenti
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Quali sono i parametri in gioco?

• La carica si allarga molto più velocemente e
  svanisce più lentamente nella zona epitassiale
  che in quella sottostante
• Il contributo della regione p al segnale totale
  cresce al diminuire dello spessore del p-
• Per piccoli spessori dello strato epitassiale, il
  tempo di raccolta dipende fortemente da tale
  spessore

Nasce l'esigenza di studiare tali comportamenti
su un prototipo di rivelatore CMOS MAPS
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Un rivelatore floreale

• Il prototipo realizzato e MIMOSA (Minimum
  Ionising particle MOS Active pixel sensor)
• 4 matrici da 64 x 64 pixel (20 x 20 µm)
• Sono stati fatti test con due diverse sorgenti
• raggi X emessi da 55Fe, 5.9 keV (1640 elettroni
  per fotone)
• pioni da 15 GeV/c al CERN PS

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Risultati della simulazione
La carica raccolta dipende fortemente dallo
spessore dei due strati epitassiale e p
La carica presente sul pixel centrale aumenta al
crescere dello spessore del p-, per poi saturare
intorno a 650 elettroni una volta superati i 15 µm
Per grandi spessori, il tempo di raccolta e la
carica sono molto più elevati per i 3-by-3 pixels
cluster
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Rumori

• Reset durante il reset, il transistor M3 si
  spegne mandando una tensione positiva al gate di
  M1. Questo per un breve intervallo di tempo di
  satura andando sotto soglia
• Integrazione dovuto alla corrente di fondo del
  diodo, ma risulta essere trascurabile
• Readout somma in quadratura dei rumori
  caratteristici di ogni transistor

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Rumori

• Risultati sul prototipo MIMOSA, 11-04-2000
• T 27C
• VDD 5 V
• W / L 0.8 / 0.6 (reset transistor)
• Cl 300 fF

ENC ? Equivalent Noise Charge kTC ? fonte
dominante di rumore
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Uno o quattro diodi?
Quattro diodi ? peggiorano rumore e guadagno, ma
si riduce la dispersione di carica
? da 5.9 keV
Un solo diodo ? basso rumore, alto guadagno
? da 15 GeV/c
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MAPS nelle Alte Energie
Sensazionali risultati pubblicati dallo stesso R.
Turchetta
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Dove sono i vantaggi?

• Basso costo
• Nessun problema legato alle bump-bonding
• Basso consumo energetico
• Velocità e CMOS
• Risoluzione spaziale ( 1 µm)
• Basissimo scattering multiplo
• Tolleranza alle radiazioni

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Possibili applicazioni

• Fisica delle particelle
• Rivelatori per tracciamento
• Rivelatori al vertice (alta granularità)
• Altri ambiti
• Imaging in campo medico
• Astronomia
• Fotografia (sensibile anche alla luce visibile)
• Microscopia

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Concludendo

• Tempo di raccolta relativamente basso (100 ns)
• Carica confinata in pochi pixel
• La diffusione della carica dipende dalla
  geometria dei pixel
• S/N 30
• Più di 1000 elettroni raccolti in un pixel 3x3