Presentazione Tesi Enrico Molinari 10 Ottobre 2010

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Presentazione Tesi Enrico Molinari 10 Ottobre 2010

  1. 1. ANNO ACCADEMICO 2009/2010Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica<br />Tecnologia della fotorivelazione basata su dispositivi a semiconduttore <br />Relatori:<br />Dott. Fabrizio Cei<br />Prof. Alessandro Diligenti<br />Dott.ssa Maria Giuseppina Bisogni<br />Candidato:<br />Molinari Enrico<br />08/10/2010<br />1<br />Enrico Molinari<br />
  2. 2. Generalità<br />Fotorivelatore: dispositivo che riceve in ingresso un segnale ottico, monocromatico o policromatico, e che rende disponibile in uscita un segnale elettrico la cui ampiezza ed evoluzione temporale sono correlate alle caratteristiche del segnale luminoso incidente (intensità ottica, frequenza, andamento nel tempo della radiazione luminosa).<br />08/10/2010<br />2<br />Enrico Molinari<br />
  3. 3. Dispositivi fotorivelatori a semiconduttore: principio fisico<br />08/10/2010<br />3<br />Enrico Molinari<br />
  4. 4. Coefficiente di assorbimento ottico specifico per alcuni semiconduttori maggiormente utilizzati nella fotorivelazione<br />08/10/2010<br />4<br />Enrico Molinari<br />Coefficiente di assorbimento ottico specifico α(λ): numero medio di fotoni, tutti aventi lunghezza d’onda λ, assorbiti dal materiale nell’unità di lunghezza<br />
  5. 5. Parametri caratteristici di un fotorivelatore a semiconduttore<br /><ul><li>Efficienza quantica (QE – “Quantum Efficiency”, 0 < QE < 1)
  6. 6. Guadagno fotoconduttivo
  7. 7. Risoluzione temporale </li></ul>08/10/2010<br />5<br />Enrico Molinari<br />
  8. 8. Caratteristiche I – V, polarizzazione inversa dei fotorivelatori più comuni, dipendenza del guadagno fotoconduttivo G dalla polarizzazione <br />Fotorivelatori: <br /><ul><li>Omogiunzione PN
  9. 9. PIN
  10. 10. APD
  11. 11. SAM – APD (omogiunzioni o eterogiunzioni)
  12. 12. GM – SAM – APD
  13. 13. SiPM</li></ul>08/10/2010<br />6<br />Enrico Molinari<br />
  14. 14. Esempi di fotorivelatori ad omogiunzione PN e PIN<br />Fotorivelatore al silicio ad omogiunzione PN<br />(adatto per la prima finestra di attenuazione delle fibre ottiche in silice)<br />Fotorivelatore PIN – MESA a doppia eterogiunzione (adatto per la terza finestra di attenuazione delle fibre ottiche in silice)<br />08/10/2010<br />7<br />Enrico Molinari<br />
  15. 15. Fotorivelatore APD - “Avalanche Photo - Diode”<br />Fattore di rumore in eccesso F(G):<br /><ul><li>rumorosità intrinseca al processo aleatorio poissoniano di moltiplicazione delle cariche dovuta al break down a valanga; tale rumore è proporzionale al valor medio G delle realizzazioni del guadagno fotoconduttivo
  16. 16. ciascun semiconduttore è caratterizzato da un particolare valore del “rapporto di ionizzazione” Ka:
  17. 17. αh = coefficiente di ionizzazione delle lacune = attitudine delle lacune a creare eventi ionizzanti da impatto
  18. 18. αe = coefficiente di ionizzazione degli elettroni = attitudine degli elettroni a creare eventi ionizzanti da impatto </li></ul>08/10/2010<br />8<br />Enrico Molinari<br />
  19. 19. Fotorivelatore APD - “Avalanche Photo - Diode”<br /><ul><li>Limite quantico SNRi di un APD
  20. 20. Rapporto segnale/rumore SNR di un APD, nel caso di alte potenze ottiche incidenti (rumori shot prevalenti) </li></ul>08/10/2010<br />9<br />Enrico Molinari<br />
  21. 21. 08/10/2010<br />Enrico Molinari<br />10<br />
  22. 22. Fotorivelatore SiPM (“Silicon Photon Multiplier” – fotomoltiplicatore al silicio) <br />08/10/2010<br />11<br />Enrico Molinari<br />
  23. 23. 08/10/2010<br />Enrico Molinari<br />12<br />Circuito equivalente di un SiPM sottoposto ad un impulso luminoso <br />
  24. 24. 08/10/2010<br />Enrico Molinari<br />13<br />sezione della microcella GM – SAM – APD <br />layout della microcella (7 maschere) <br />
  25. 25. 08/10/2010<br />14<br />Enrico Molinari<br />Parametri fondamentali di un SiPM<br /><ul><li>PDE – “Photon Detection Efficienty” – efficienza di rivelazione dei fotoni
  26. 26. Gf – “Fill factor” – fattore di riempimento o efficienza geometrica</li></ul> fill factor limitato dal resistore di quenching, dalla trench di collimazione ed isolamento di break down a valanga e dalle metallizzazioni superficiali<br /><ul><li>Ptr – probabilità di trigger</li></ul> probabilità che un fotoelettrone o una fotolacuna inneschi una realizzazione del break down a valanga, in un <br /> punto della regione di moltiplicazione del fotorivelatore costituente il singolo pixel della matrice<br /><ul><li>range dinamico</li></ul> massimo numero di fotoni rivelabili dal SiPM in coincidenza di un singolo evento luminoso = numero di microcelle della matrice<br />
  27. 27. 08/10/2010<br />15<br />Enrico Molinari<br />per illuminazione uniforme sulla matrice:<br />
  28. 28. Effetto del crosstalk ottico e degli after – pulses sull’andamento temporale della fototensione di uscita di un SiPM e sulla sua risoluzione temporale <br /><ul><li>S = risposta elettrica del SiPM ad un impulso luminoso costituito da un singolo fotone
  29. 29. d = risposta elettrica del SiPM ad un impulso luminoso costituito da un singolo fotone: durante questa fotorivelazione si ha l’attivazione spuria di una seconda microcella, limitrofa a quella colpita dal fotone; a causa dell’interferenza ottica fra i 2 pixels la risposta del SiPM sovrastima l’intensità ottica incidente</li></ul>08/10/2010<br />16<br />Enrico Molinari<br />
  30. 30. Dipendenza del dark count rate di un SiPM dalla polarizzazione inversa e dalla temperatura <br />Probabilità di crosstalk ottico fra due microcelle, poste ad una certa distanza l’una dall’altra (parametro delle curve), in funzione del guadagno fotoconduttivo (cioè della polarizzazione inversa del SiPM)<br /><ul><li>Le trench di collimazione ed isolamento del break down a valanga limitano la probabilità di interferenza ottica fra pixels, migliorando l’affidabilità della fotorivelazione </li></ul>08/10/2010<br />17<br />Enrico Molinari<br />
  31. 31. i SiPMs sono fra i fotorivelatori più innovativi, in commercio solo da qualche anno <br />Vantaggi: <br /><ul><li>Alta risoluzione temporale, grazie alla velocità di carica e scarica Geiger, cioè grazie al guadagno G molto alto (105 – 106) e al buon funzionamento di RQ
  32. 32. Alta risoluzione spaziale, grazie alle matrici di superficie sempre più ampia e alla buona reiezione del crosstalk ottico
  33. 33. Buon funzionamento se assemblati a cristalli scintillatori LYSO (Ortosilicato di Lutezio drogato con Ittrio) </li></ul>Svantaggi: <br /><ul><li>All’aumentare dello “scaling down” delle microcelle, cioè all’aumentare del range dinamico, l’efficienza geometrica diminuisce (limiti delle tecnologie microelettroniche “top - down”)
  34. 34. Costi elevati</li></ul>Una delle applicazioni più promettenti per i SiPMs è la tecnica di diagnostica medica PET – “Positron Emission Tomography” – tomografia ad emissione di positroni <br />08/10/2010<br />18<br />Enrico Molinari<br />

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