Laboratorio di Strumentazione Elettronica Proposte di attività per il Progetto Elettronico per gli...

Laboratorio di Strumentazione Elettronica

Proposte di attività per il Progetto Elettronico per gli studenti del Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica e delle

Telecomunicazioni

2Proposte di attività per studenti della Laurea di Primo Livello

Gruppo di ricerca

Stretta collaborazione con gruppo del prof. Valerio Re dell’Università di Bergamo (Massimo Manghisoni, Gianluca Traversi)

Lodovico Ratti, responsabile del Laboratorio di Strumentazione Elettronica

Tre dottorandi attualmente impegnati in attività di ricerca presso il nostro gruppo: Alessia Manazza, Emanuele Quartieri e Stefano Zucca


Caratterizzazione di dispositivi realizzati con tecnologie innovative

Studio degli effetti delle radiazioni su dispositivi e circuiti

Caratterizzazione di tecnologie CMOS submicrometriche planari (Lmin=40 nm)

Progetto e caratterizzazione di elettronica di lettura in tecnologia CMOS per rivelatori di radiazione ad elevata risoluzione spaziale (pixel)Sensori monolitici in tecnologia CMOS da 130 nm ad

integrazione verticale (3D)

Linee di ricerca

Sensori monolitici in tecnologia CMOS INMAPS da 180 nm

Caratterizzazione di tecnologie CMOS submicrometriche ad integrazione verticale (Lmin=130 nm)

Sensori monolitici e dispositivi singoli realizzati in tecnologia CMOS 3D

Sensori monolitici e dispositivi singoli (diodi) realizzati in tecnologia CMOS INMAPS


Rivelatori di radiazione: come funzionano

Un rivelatore di radiazione ha la stessa struttura di un diodo polarizzato in regione inversa

La carica rilasciata in seguito al passaggio di una particella viene raccolta ad un elettrodo (moto per deriva o per diffusione)

In un sensore monolitico il rivelatore ed i circuiti di lettura sono realizzati sul medesimo substrato


A cosa servono

Un rivelatore di radiazione può servire a misurare

la quantità di energia rilasciata da una particella

l’intensità o dose della radiazione (ovvero il numero di particelle incidenti)il tempo di arrivo di una particella

x

y

rivelatore a pixel

traccesuperficie esterna

superficie interna

vertice (origine)

la posizione in cui una particella attraversa una certa superficie (o la direzione lungo la quale la particella si muove, in questo caso sono richiesti almeno due strati di rivelatori)


Dove si usano

Diagnostica medica

Astronomia spaziale

Fisica delle particelle

Riconoscimento e datazione di opere d’arte


Pixel monolitici in tecnologia CMOS 2D e 3D1

st wafe

r

2nd w

afe

r

WB/BB pad

TSV

Inter-tier bond pads

I strato (circuiti analogici e sensore) II strato (circuiti

digitali)

Sensori di radiazione monolitici realizzati con una tecnologia CMOS da 130 nm in tecnologia planare e ad integrazione verticaleApplicazioni nella fisica delle alte energie ed in campo biomedico (esame radiografico di tessuti biologici)


Progettazione di circuiti 3D


CF

Vfbk

AGND

DVDDAVDD

DGND

Vt

strato 1

(BOTTOM)

strato 2

(TOP)

preamplificatore discriminatore

Inter-tier bond pads

AVDD

Schema del canale di lettura

ai blocchi digitali


Prototipi di sensori in tecnologia 3D

Diverse strutture di test: matrici di sensori di piccole, medie e grandi dimensioni (3x3, 8x8, 16x16, 249x256), singoli canali di lettura con e senza sensore

Caratterizzazione dei dispositivi con strumentazione da banco (oscilloscopi, generatori di forme d’onda) e con laser infrarosso (studio della raccolta di carica)


Tecnologia CMOS INMAPS

Consente di ottimizzare il funzionamento di un sensore monolitico (ovvero massimizzare l’efficienza di raccolta della carica) schermando le N-well dal substrato mediante uno strato p+ sepolto e consentendo di utilizzare transistori PMOS nel progetto dei circuiti di lettura (analogici e digitali)

Tecnologia CMOS standard Tecnologia CMOS con quadrupla well


Matrice 32x32 matrix (4-diode pixels) con architettura di lettura digitale selettiva

Matrici 3x3 per caratterizzazione del sensore e dell’elettronica di lettura analogica

Diodi Nwell/strato epitassiale p, singoli pixel (sensore+circuito di lettura)

Prototipi di sensori in tecnologia CMOS INMAPS


Sezione analogica

Preamplfiicatore di carica

Filtro

Discriminatore Sezione digitale

Elettrodi di raccolta Capacità di

ingresso del filtro

Cella elementare


Test di pixel monolitici

Strutture di test costituite da matrici di sensori con lettura digitale, piccole matrici con uscita analogica, singoli canali con e senza sensore connesso

Test effettuati mediante schede stampate, che consentono di interfacciare il chip con strumentazione di misura


Possibili attività su pixel monolitici CMOS

Caratterizzazione di sensori monolitici a pixel attivi in tecnologia CMOS da 130 nm

Test su sensori monolitici CMOS stimolati con laser infrarosso

Simulazione a livello fisico di sensori monolitici con CAD tecnologico

Progetto, simulazione e layout di uno o più blocchi circuitali (preamplificatore di carica, filtro formatore, comparatore) per lettura di segnali da sensori di radiazione

Caratterizzazione di sensori monolitici a pixel attivi in tecnologia CMOS INMAPS da 180 nm


Caratterizzazione di dispositivi a semiconduttore

Circuito dipolarizzazione di

gate e drain

Amplificatorea transimpedenza a basso rumore

Stadio di guadagno

SD.U.T.

Circuito di polarizzazione del bulk/well

Analizzatore di spettro

RF

Caratterizzazione statica, di segnale e di rumore di dispositivi singoli realizzati in tecnologie CMOS estremamente scalate (deep submicron)


Resistenza alle radiazioni in dispositivi e circuiti

Nei dispositivi CMOS l’effetto principale della radiazione ionizzante consiste nella generazione di carica all’interno dell’ossido di silicio (ossido di gate, ossido di campo, shallow trench isolation) e/o all’interfaccia Si/SiO2L’esposizione a radiazione ionizzante può dunque comportare variazione della tensione di soglia, aumento delle correnti di leakage di drain ed aumento del rumore elettronico

L’obiettivo dell’attività è stabilire come i mutamenti dei processi produttivi alterino le proprietà dei circuiti microelettronici dal punto di vista della resistenza alle radiazioni

G

DS

+++++++ G

D

STI

+++++++++

+++++++++

STI

S


GA

TE

SO

UR

CE

DR

AIN

+++

+++

DRAIN

SOURCE

GATE

Layout chiuso

Leakage paths

Layout standard

Layout resistente alle radiazioni

La resistenza alle radiazioni di un circuito può essere migliorata disegnando in maniera opportuna i dispositivi che lo compongono (in realtà solo quelli la cui degradazione può compromettere il funzionamento del circuito)E’ interessante verificare i vantaggi offerti dall’uso di un layout chiuso attraverso la caratterizzazione, in particolare sotto il profilo del rumore elettronico, di sensori monolitici esposti a radiazione ionizzante


Possibili attività relative a caratterizzazione di tecnologie CMOS

Studio sperimentale delle caratteristiche di rumore in dispositivi CMOS con lunghezza minima di canale pari a 40 nm

Studio della resistenza alle radiazioni di dispositivi CMOS con lunghezza minima di canale pari a 40 nm

Caratterizzazione di dispositivi CMOS da 130 nm realizzati in tecnologia ad integrazione verticale

Studio della tolleranza alle radiazioni ionizzanti di dispositivi singoli e sensori monolitici CMOS da 130 nm realizzati in tecnologia ad integrazione verticale

Studio della resistenza alle radiazioni in sensori monolitici realizzati in tecnologia CMOS INMAPS da 180 nm e strato epitassiale ad alta resistività


progetto di circuiti analogici a basso rumore elettronico

uso degli strumenti software più diffusi per la simulazione ed il progetto di circuiti elettronici

caratteristiche delle tecnologie CMOS bulk di più recente introduzione e di altre tecnologie innovative

comportamento dei dispositivi elettronici, anche a livello fisico, approfondito a livello sia teorico, sia sperimentale

uso di strumentazione di laboratorio avanzata

Quali opportunità offre l’attività presso ilLaboratorio di Strumentazione Elettronica

L’attività presso il Laboratorio di Strumentazione Elettronica può coprire gli aspetti sperimentali e/o teorici degli argomenti propostiOffre allo studente, a seconda dell’argomento affrontato, la possibilità di acquisire competenze relativamente a


Lodovico Ratti,

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