Rivelatori a semiconduttore
I rivelatori a semiconduttore sono allo stato solido
(quindi densità circa 1000 volte maggiori di quelle di un
gas) e hanno una risoluzione migliore di quelli a gas (circa
30 eV/coppia) e degli scintillatori (circa 100
eV/fotoelettrone).
Altri vantaggi: spessore e dimensioni
compatte, basse tensioni
alimentazione, tempi di risposta veloci.
Svantaggi: sensibili alla temperatura,
danneggiamento da radiazione
Lacune+
Impiegati a partire dal
1960 per la rivelazione delle
radiazioni
Elettroni
Principi di funzionamento/1
Possiamo immaginarli come
l’equivalente a stato solido di una
camera a ionizzazione, con un
mezzo solido semiconduttore.
Differenza: occorrono circa 3 eV
per creare una coppia elettronelacuna.
A parità di energia depositata,
il n. di coppie elettrone-lacuna è
10 volte maggiore che nei gas.
Risoluzione: circa 3 volte
migliore
Principi di funzionamento/2
A causa della struttura del materiale, nei
semiconduttori banda di valenza e banda di
conduzione sono separate da un gap
relativamente piccolo (circa 1 eV), intermedio
tra conduttori e isolanti
Principi di funzionamento/3
Per effetto della temperatura, o per effetto
del passaggio di una radiazione ionizzante, un
elettrone può passare dalla banda di valenza a
quella di conduzione, lasciando una lacuna.
Dopo la creazione di una coppia elettronelacuna, queste possono diffondere – in modo
analogo a quanto avviene per elettroni/ioni in un
gas – seguendo un moto casuale, con mobilità di
elettroni e lacune circa eguali, oppure muoversi
sotto l’azione di un campo elettrico.
Effetti termici
Il numero di elettroni/lacune creato per
effetto termico è legato alla temperatura da:
Valori tipici a temperatura ambiente (T=300 K):
2.5 1013/cm3 (Germanio), 1 su 109 atomi
1.5 1010/cm3 (Silicio), 1 su 1012 atomi
Semiconduttori intrinseci e drogaggio
In un semiconduttore puro (intrinseco) il numero di elettroni in
banda di conduzione è eguale esattamente al numero di lacune
in banda di valenza. Sia gli elettroni che le lacune
contribuiscono alla conducibilità elettrica.
Un materiale di questo genere è molto difficile da ottenere: le
proprietà di un semiconduttore tendono ad essere governate
anche da piccoli livelli di impurezze (drogaggio).
La struttura del semiconduttore viene alterata dall’aggiunta di
atomi pentavalenti (semiconduttori di tipo n) o trivalenti
(semiconduttori di tipo p)
Semiconduttori di tipo n
Semiconduttore di tipo n
Aggiunta di un atomo pentavalente (Fosforo) nella struttura
tetravalente del Silicio, nella proporzione di alcune parti per
milione, con alterazione della struttura dei livelli e della
proporzione tra n. di elettroni e lacune
N. di elettroni di conduzione= 1017/cm3 (cariche maggioritarie)
N. di lacune = 103 /cm3 (cariche minoritarie)
Semiconduttori di tipo p
Semiconduttore di tipo p
Aggiunta di un atomo trivalente (Boro) nella struttura
tetravalente del Silicio, nella proporzione di alcune parti per
milione, con alterazione della struttura dei livelli e della
proporzione tra n. di elettroni e lacune, stavolta opposta a quella
precedente
Rivelatori con e senza giunzione
I rivelatori a semiconduttore sono basati in genere sull’utilizzo
di una giunzione n-p.
Nei rivelatori senza giunzione il rumore di fondo dovuto alla
presenza di cariche libere sarebbe infatti troppo elevato.
La giunzione n-p si ottiene da un unico materiale, le cui
estremità opposte vengono drogate di tipo n e di tipo p.
Nella zona di contatto elettroni tenderanno a migrare dalla
zona n alla zona p, e le lacune dalla zona p alla zona n, fino a
raggiungere l’equilibrio.
Depletion layer
Il risultato è la creazione di
una zona di svuotamento
(depletion layer). Applicando
una ddp si allarga la zona di
svuotamento, che costituirà il
volume sensibile per la
rivelazione delle particelle.
Un rivelatore non alimentato
funzionerà ancora come
rivelatore, ma con prestazioni
scadenti (rumore, risoluzione)
Rivelatori a giunzione
I rivelatori a giunzione possono essere
costruiti sfruttando diversi processi
per creare la barriera:
a) Rivelatori a diffusione
b) Rivelatori a barriera superficiale
c) Rivelatori a deriva di Litio
Rivelatori a barriera superficiale
Alcune proprietà
Tempo di risposta:
I rivelatori a semiconduttore sono molto veloci (impulsi con
tempi di salita di alcuni ns)
Risoluzione in energia:
A causa del numero elevato di coppie create per unità di energia
depositata, la risoluzione è elevata
Finestra di ingresso e soglia in energia
La presenza di una zona morta prima del volume sensibile
introduce una soglia in energia (circa 10 KeV per alfa da 5 MeV)
Danneggiamento da radiazione
L’uso prolungato con radiazioni introduce dei difetti nel reticolo
cristallino, con peggioramento delle caratteristiche (rumore,
risoluzione. Aspetto critico negli esperimenti ad alta energia o
nello spazio
Applicazioni nella spettroscopia di
particelle cariche
A causa delle loro proprietà (risoluzione, timing,…) sono molto usati
nella spettroscopia di particelle cariche.
Singoli rivelatori disponibili in un’ampia varietà di spessori (da pochi
micron a 5000 micron) e di area sensibile (da pochi mm2 ad
alcuni cm2)
Sensibili con efficienza 100% a protoni, particelle alfa e ioni
pesanti. Spessore da valutare in base al tipo di particella da
rivelare e al range.
Per elettroni, lo spessore dei rivelatori disponibili è in genere
troppo piccolo per poterli arrestare.
Range di alfa in rivelatori al silicio
Alcuni sviluppi moderni
Nei grandi rivelatori per la fisica delle alte energie l’uso dei
rivelatori al silicio è aumentato sempre più negli ultimi decenni,
soprattutto a causa della riduzione dei costi di produzione e
dell’avvento della microelettronica.
Nella maggior parte dei casi i rivelatori sono attraversati dalle
particelle (di alta energia), da cui la necessità di avere spessori
piccoli (per non disturbare le traiettorie delle particelle)
Oggi quasi tutti gli esperimenti di alta energia e nello spazio usano
ampiamente i rivelatori al silicio
Uso di rivelatori al silicio in
grandi esperimenti
Tipologie moderne di
rivelatori al silicio
Le versioni recenti di rivelatori al silicio
sfruttano le buone capacità di tracciamento
(risoluzione spaziale) e risoluzione
energetica
Due possibili scelte:
strip
pixel
Readout continuo: rivelatori a drift al silicio
(silicon drift)
Readout discreto: rivelatori a pixel e a
microstrip
drift
Rivelatori a microstrip di
silicio
+ __
+
+ _
+ _
h+ e-
Rivelatori a drift di silicio
Particle
n+
n+
n+
P+
P+
P+
n
P+
P+
P+
P+
P+
+ +
- +P+
P+
P+
Rivelatori
a pixel
Main
Features
I rivelatori a pixel sono matrici di singoli rivelatori corredate della
opportuna elettronica montata a stretto contatto con il
rivelatore.
La cella (o le celle) colpite indicano la posizione (X,Y) relativa al
passaggio della traccia, con risoluzioni dell’ordine della decina di
micron.
Righe
Colonne
Rivelatori a pixel
Struttura di un
rivelatore a
pixel ibrido
Rivelatori a pixel in ALICE
Prototype
Cell size
No. of cells
Technology
Omega 2
75 x 500
16 x 63
3
Omega 3
50 x 500
16 x 127
1
ALICE1 test
50 x 420
2 x 65
0.5 
ALICE2 test
50 x 420
2 x 65
0.25 
ALICE1
50 x 425
32 x 256
0.25 
Rivelatori a pixel in ALICE
In ALICE il singolo rivelatore è una matrice di
8192 celle (50 x 425 micron) accoppiate ad
altrettante celle di elettronica: il tutto in 1 cm2
Rivelatori a pixel in ALICE
Bump bonding
Rivelatori a pixel in ALICE
For ALICE each wafer has 86
readout chips
Tests to be carried out on each chip:
•
•
•
•
•
Current consumption (analog/digital)
JTAG functionality
Scan of all DACs
Determination of minimum threshold
Complete threshold scan of pixel matrix
Rivelatori a pixel in ALICE
Bridge to PC
MB-card
Power Supply
Power Supply
Probe Station
with Probe
Card
CLEAN
ROOM
VME-crate
with pilot and
JTAG controller
Rivelatori a pixel in ALICE
Chips classified as Class I (to be bump-bonded), Class II (minor
defects), Class III (major defects)
CLASS
AM9VG4T
AB9VHXT
AZ9VETT
AV9VGWT
I
46 (53%)
36 (42%)
64 (74.5%)
37 (43%)
II
10 (12%)
8 (9%)
8 (9%)
5 (6%)
III
30 (35%)
36 (42%)
14 (16.5%)
35 (41%)
Rivelatori a pixel in ALICE
I due strati più
interni del
rivelatore ALICE
sono equipaggiati
con pixel di silicio,
per un totale di
1200 chip
corrispondenti a 9.6
milioni di canali
Rivelatori a pixel: il prossimo
futuro
Danneggiamento da radiazione
• Many effects (not fully understood) involved in the radiation
damage of silicon detectors
• Dose = Deposited energy/Mass (1 Gray = 1 Joule/kg = 100 rad)
• However, dose is not enough to understand the problem!
• Effects are dose dependent and particle species dependent!
• Bulk effects and Surface effects
Danneggiamento da radiazione
Surface Damage
Electronics
Sensitive
components
are located
close to the
surface
Bulk Damage
Detectors
Full bulk is
sensitive to
passing
charged
particles
Danneggiamento da radiazione
Cumulative Effects
Total Ionizing Dose (TID)
Ionisation in the SiO2 and SiO2Si interface creating fixed
charges
(all devices can be affected)
Displacement Defects
(bipolar devices, optocomponents)
Single Event Effects (SEE)
Permanent (e.g. single
event gate rupture
SEGR)
Static (e.g. single
event upset SEU)
Transient SEEs
Danneggiamento da radiazione a LHC
•At LHC, head-on collisions of protons (7 TeV on 7 TeV) and heavy ions
(5.5 ATeV) will produce a lot of particles crossing silicon detectors!
Lmax~1034cm-2 s-1
At f = 4 cm ~ 3 1015 (neq) cm-2 in 10 years
(>85% charged hadrons)
! RADIATION DAMAGE !
Danneggiamento da radiazione a LHC
ATLAS Pixels
ATLAS Strips
CMS Pixels
CMS Strips
ALICE Pixel
LHCb VELO
total dose
fluence
50 Mrad
7.9 Mrad
~24Mrad
7.5 Mrad
500 krad
-
1.5 x 1015
~2 x 1014
~6 x 1014 *
1.6 x 1014
~2 x 1013
1.3 x 1014/year**
1MeV n eq. [cm-2] after 10 years
*Set as limit, inner layer reaches this value after ~2 years
**inner part of detector (inhomogeneous irradiation )