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).

ElettroniLacune+

Impiegati a partire dal 1960 per la rivelazione delle radiazioni

Altri vantaggi: spessore e dimensioni compatte, basse tensioni alimentazione, tempi di risposta veloci.

Svantaggi: sensibili alla temperatura, danneggiamento da radiazione

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 elettrone-lacuna.

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 elettrone-lacuna, 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

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)

Semiconduttore di tipo n

Semiconduttori 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

Semiconduttore di tipo p

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:

Readout continuo: rivelatori a drift al silicio (silicon drift)

Readout discreto: rivelatori a pixel e a microstrip

drift

pixel

strip

Rivelatori a microstrip di silicio

h+ e-

++

++

__

__

Rivelatori a drift di silicio

P+

P+P+

P+P+P+P+

P+P+P+

P+

n+

n+

n+

n+++

---

Particle

Main Features

Colonne

Righe

Rivelatori a pixel

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.

Struttura di un rivelatore a pixel ibrido

Rivelatori a pixel

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

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

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

MB-card

Power Supply VME-cratewith pilot and JTAG controller

Bridge to PC

Power Supply

Probe Station with Probe Card

CLEAN ROOM

Rivelatori a pixel in ALICE

35 (41%)14 (16.5%)36 (42%)30 (35%)III

5 (6%)8 (9%)8 (9%)10 (12%)II

37 (43%)64 (74.5%)36 (42%)46 (53%)I

AV9VGWTAZ9VETTAB9VHXTAM9VG4TCLASS

Chips classified as Class I (to be bump-bonded), Class II (minor defects), Class III (major defects)

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 in ALICE

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

Total Ionizing Dose (TID)Ionisation in the SiO2 and SiO2-Si interface creating fixed charges (all devices can be affected)

Cumulative Effects

Displacement Defects(bipolar devices, opto-components)

Permanent (e.g. single event gate rupture SEGR)

Static (e.g. single event upset SEU)

Transient SEEs

Single Event Effects (SEE)

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 = 4 cm ~ 3 1015 (neq) cm-2 in 10 years (>85% charged hadrons)

! RADIATION DAMAGE !

total dose fluence 1MeV n eq. [cm-2] after 10 years

ATLAS Pixels 50 Mrad 1.5 x 1015

ATLAS Strips 7.9 Mrad ~2 x 1014

CMS Pixels ~24Mrad ~6 x 1014 *CMS Strips 7.5 Mrad 1.6 x 1014

ALICE Pixel 500 krad ~2 x 1013

LHCb VELO - 1.3 x 1014/year**

*Set as limit, inner layer reaches this value after ~2 years

**inner part of detector (inhomogeneous irradiation )

Danneggiamento da radiazione a LHC