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Ultimo aggiornamento 22 gen 2018
Autore
Beatrice Jelmini
Sesso F
Esperimento HVR_CCPD
Tipo Laurea Triennale
Destinazione dopo il cons. del titolo Laurea Secondo Livello (Italia)
Università Universita' Di Milano
Strutt.INFN/Ente
Milano
Titolo Caratterizzazione di un rivelatore a pixel HV-CMOS in tecnologia LFoundry 150 nm
Abstract Questa tesi si inserisce all’interno di un percorso di ricerca e sviluppo attual- mente in corso con lo scopo di realizzare un nuovo sistema tracciante per l’esperimento ATLAS a LHC, presso il CERN. L’attuale sistema traccian- te è costituito da diversi strati di rivelatori a semiconduttore che possono essere in configurazione a strip o a pixel. In particolare, in questa tesi si è caratterizzato un prototipo di rivelatore a pixel realizzato in tecnologia LFoundry 150 nm, identificato con il nome di LFCPIX. Il prototipo è stato realizzato in una tecnologia diversa rispetto ai ri- velatori a pixel che costituiscono l’inner detector attualmente presente ad ATLAS. L’idea è infatti quella di passare da rivelatori ibridi a rivelatori monolitici in tecnologia CMOS ad alta tensione/alta resistività (HV/HR- CMOS). I rivelatori ibridi sono caratterizzati dall’avere il sensore e l’elettro- nica di lettura su due chip diversi collegati tramite bump bonding. Questi sono risultati efficienti, veloci e resistenti alle radiazioni e sarebbero adatti a lavorare anche nell’ambiente a maggiore luminosità che si otterrà attraverso il futuro upgrade a HL-LHC, programmato a metà del prossimo decen- nio. Gli svantaggi legati a questo tipo di rivelatori sono i costi e l’elevata complessità strutturale. La ricerca si è quindi indirizzata verso lo studio di rivelatori monolitici in cui l’elettronica di lettura è integrata nello stesso chip del sensore. I rivelatori monolitici attualmente di interesse sono quelli in cui è possibile realizzare una regione di svuotamento applicando un’alta tensione inversa (HV) su substrati ad alta resistività (HR). In questo modo, la raccolta della carica prodotta nel sensore dal passaggio di una particella non avviene solo per diffusione ma anche per moto di deriva, rendendo il rivelatore più veloce e resistente alle radiazioni. Inoltre, l’elettronica integrata è realizzata in tecnologia CMOS. I primi due capitoli sono dedicati ad approfondire quanto brevemente riportato fin’ora. In particolare, nel capitolo 1 sono riportati alcuni dettagli riguardanti l’esperimento ATLAS, il passaggio da LHC a HL-LHC e il conse- guente potenziamento del sistema tracciante dell’esperimento, denominato inner tracker (ITk). Nel capitolo 2 viene invece proposto un rapido ripasso sui semiconduttori e le giunzioni p-n, viene presentato in breve il funziona- mento dei transistori in tecnologia CMOS e infine vengono fornite alcune informazioni riguardo ai rivelatori a semiconduttore. Viene anche proposta una breve classificazione dei rivelatori a pixel per poter contestualizzare in modo opportuno il tipo di dispositivo oggetto di questa tesi. v vi Riassunto Il capitolo 3 è dedicato alla presentazione del dispositivo. Vengono for- niti dettagli sulle parti da cui è costituito, focalizzandosi principalmente sulle varie tipologie di pixel implementate. Queste tipologie differiscono per l’architettura dell’elettronica di lettura in essi integrata, riguardando prin- cipalmente il tipo di preamplificatore presente che può essere realizzato in tecnologia NMOS, PMOS o CMOS, e per la presenza o meno di uno stadio digitale. Vengono anche fornite informazioni riguardo alle alimentazioni ne- cessarie per attivare correttamente il dispositivo. Alla fine viene presentato l’hardware di lettura, costituito da tre schede, a cui il dispositivo è collegato tramite wire bonding. Questo hardware può essere collegato a della stru- mentazione esterna, come ad esempio generatori di tensione, necessari per fornire le alimentazioni e l’alta tensione di svuotamento. Inoltre permette di instaurare, via cavo USB, un’interfaccia con un computer su cui è installato il software per il controllo del dispositivo. Il capitolo 4 è dedicato alla caratterizzazione di una delle tipologie di pi- xel implementate nel dispositivo. Vengono presentati in dettaglio l’apparato sperimentale e il processo di presa dati, oltre che l’analisi stessa dei dati. Vengono infine discussi i risultati. In particolare, ciò che è stato osservato nel corso del lavoro di questa tesi è in disaccordo con quanto atteso dal- la progettazione e dalle simulazioni, si sono quindi cercate e fornite alcune possibili spiegazioni di questa discordanza. Il capitolo 5 è invece dedicato alla calibrazione della matrice in cui so- no implementate le varie tipologie di pixel tramite raggi X e impulsatore esterno. L’utilizzo di un tubo a raggi X, messoci a disposizione presso un laboratorio del Politecnico di Milano, ha permesso la realizzazione di una calibrazione assoluta della matrice di pixel. Lo spettro osservato risulta es- sere una distribuzione continua di bremsstrahlung con picchi di fluorescenza caratteristici del materiale usato come bersaglio. Nel corso di questa tesi si è usato un bersaglio di molibdeno (Mo, numero atomico 42), per cui lo spettro presenta due righe di fluorescenza corrispondenti alle transizioni K↵ e K . Gli spettri ottenuti sono stati descritti con una doppia gaussiana. L’utilizzo di un impulsatore ha permesso invece di effettuare una calibrazione relativa, in quanto l’ampiezza del segnale analogico in uscita è influenzata dal valore della capacità di iniezione presente nella catena elettronica di ciascun pixel. Il valore nominale di questa capacità è di 2fF, ma di fatto esso presenta fluttuazioni da pixel a pixel. I risultati delle calibrazioni mettono in luce la dispersione dei valori delle ampiezze per le varie tipologie di pixel; sono stati considerati anche la larghezza del picco e i valori di baseline e di rumore. Dal confronto delle due calibrazioni è risultato possibile studiare anche la dispersione del valore della capacità di iniezione. Nel capitolo 6 sono riportati brevemente i risultati ottenuti nei due ca- pitoli precedenti traendo delle conclusioni al riguardo. Vengono anche pro- posti possibili sviluppi e studi futuri da effettuare sul dispositivo, quali la caratterizzazione delle altre tipologie di pixel e lo studio delle dimensioni della regione di svuotamento.
Anno iscrizione 2013
Data conseguimento 14 dic 2017
Luogo conseguimento Milano
Relatore/i
Andreazza Attilio Liberali Valentino  
File PDF
tesi_finale.pdf
File PS