IT201800010671A1 - Dispositivo preamplificatore di carica e apparato di rivelazione di radiazioni comprendente il dispositivo - Google Patents

Dispositivo preamplificatore di carica e apparato di rivelazione di radiazioni comprendente il dispositivo Download PDF

Info

Publication number
IT201800010671A1
IT201800010671A1 IT102018000010671A IT201800010671A IT201800010671A1 IT 201800010671 A1 IT201800010671 A1 IT 201800010671A1 IT 102018000010671 A IT102018000010671 A IT 102018000010671A IT 201800010671 A IT201800010671 A IT 201800010671A IT 201800010671 A1 IT201800010671 A1 IT 201800010671A1
Authority
IT
Italy
Prior art keywords
pad
input
substrate
integrated
layer
Prior art date
Application number
IT102018000010671A
Other languages
English (en)
Inventor
Filippo Mele
Giuseppe Bertuccio
Original Assignee
Milano Politecnico
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Milano Politecnico filed Critical Milano Politecnico
Priority to IT102018000010671A priority Critical patent/IT201800010671A1/it
Priority to PCT/IB2019/059931 priority patent/WO2020109924A1/en
Priority to CA3120666A priority patent/CA3120666A1/en
Priority to US17/297,815 priority patent/US11604292B2/en
Priority to CN201980078375.0A priority patent/CN113261205A/zh
Priority to JP2021529795A priority patent/JP2022509203A/ja
Priority to EP19823810.7A priority patent/EP3888243A1/en
Publication of IT201800010671A1 publication Critical patent/IT201800010671A1/it

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
    • G01T1/247—Detector read-out circuitry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/08—Modifications of amplifiers to reduce detrimental influences of internal impedances of amplifying elements
    • H03F1/083—Modifications of amplifiers to reduce detrimental influences of internal impedances of amplifying elements in transistor amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/26—Modifications of amplifiers to reduce influence of noise generated by amplifying elements
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/04—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only
    • H03F3/08—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light
    • H03F3/087—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light with IC amplifier blocks
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45—Differential amplifiers
    • H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45076—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
    • H03F3/45475—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using IC blocks as the active amplifying circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/70—Charge amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/372—Noise reduction and elimination in amplifier

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Description

“Dispositivo preamplificatore di carica e apparato di rivelazione di radiazioni comprendente il dispositivo”
DESCRIZIONE
CAMPO TECNICO
La presente invenzione si riferisce ai preamplificatori di carica e agli apparati di rivelazione di radiazioni che impiegano un preamplificatore di carica.
STATO DELL'ARTE
Come noto, il preamplificatore di carica (in inglese Charge Sensitive Amplifier CSA) è schematizzabile come un amplificatore operazionale a basso rumore avente una capacità di retroazione posta fra l’ingresso e l’uscita dell’amplificatore stesso e tale da funzionare come integratore per il segnale di corrente posto al suo ingresso.
In applicazioni tipiche il preamplificatore di carica è impiegato in apparati di misura di radiazioni e, quindi, riceve in ingresso il segnale di corrente generato da un sensore di radiazioni. Tale sensore, quando attraversato da una radiazione, produce un segnale di carica proporzionale all’energia della radiazione assorbita. Tipicamente la quantità di carica generata dai sensori, ad esempio per raggi-X, è estremamente contenuta (da poche centinaia a poche decine migliaia di elettroni). Il preamplificatore di carica accetta in ingresso questo segnale di carica e lo converte in un segnale di tensione. Tale segnale di tensione viene utilizzato da ulteriori stadi di elaborazione, al fine di generare, ad esempio, uno spettro energetico e/o una distribuzione temporale della radiazione.
Si noti che il rumore generato dall’amplificatore operazionale, viene riportato in ingresso sotto forma di generatore equivalente di rumore di tensione o di corrente, generando una carica equivalente di rumore (Equivalent Noise Charge, ENC), in misura proporzionale alla capacità totale afferente all’ingresso del preamplificatore che comprende, tra le altre, la capacità d’ingresso del preamplificatore stesso Cin.
A tal proposito, il documento E. Gatti, P.F. Manfredi, M. Sampietro, V. Speziali, “Suboptimal filtering of 1/ƒ-noise in detector charge measurements”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment”; Volume 297, edizione 3 1990, pagine 467-478, ISSN 0168-9002, https://doi.org/10.1016/0168-9002(90)91331-5 discute alcune modalità di processamento del rumore nei rivelatori di carica.
Una riduzione della capacità d’ingresso Cin del preamplificatore di carica porta quindi ad una riduzione della ENC, e conseguentemente ad un miglioramento del rapporto segnale/rumore e della risoluzione energetica o temporale dell’apparato di misura.
Nelle configurazioni più avanzate, il preamplificatore di carica è un circuito integrato (IC) realizzato su un substrato a semiconduttore (drogato di tipo “p” o “n”). L’ingresso del preamplificatore è connesso all’uscita del sensore tramite un filo di collegamento (o “wire bond”). Il “wire bond” viene connesso all’ingresso del preamplificatore per mezzo di una piazzola conduttiva (o pad), che deve essere sufficientemente grande da consentire l’operazione di interconnessione, e garantirne la robustezza meccanica di tenuta. Tale piazzola conduttiva è quindi connessa direttamente o indirettamente, con l’ingresso dell’amplificatore mediante una specifica metallizzazione, a cui è connesso anche il primo elettrodo della capacità di retroazione, costituito da una armatura conduttiva (in metallo o polisilicio).
Il secondo elettrodo della capacità di retroazione è composto da una seconda armatura conduttiva collocata in prossimità del primo elettrodo e isolata dal substrato tramite una pellicola isolante. Il secondo elettrodo viene connesso all’uscita dell’amplificatore tramite una connessione in metallo, realizzando così la retroazione capacitiva. Questo tipo di realizzazione è descritta, per esempio, nel documento US-A-2018/0006613 con riferimento all’arte nota (Figura 3 del documento anteriore stesso).
In questa struttura tradizionale, il pad d’ingresso forma anche il primo elettrodo di una capacità parassita Cpad all’ingresso dell’amplificatore, il cui secondo elettrodo è costituito dal substrato del circuito integrato. Siccome la capacità prassita Cpad costituisce una componente significativa della capacità d’ingresso Cin del preamplificatore, si cerca di minimizzarne il valore per ridurre la ENC.
Nei seguenti documenti anteriori sono analizzate le problematiche relative al rumore in preamplificatori di carica in tecnologia CMOS:
- P. O'Connor, G. Gramegna, P. Rehak, F. Corsi, C. Marzocca, “CMOS Preamplifier with High Linearity and Ultra Low Noise for X-Ray Spectroscopy”, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol.44, pp. 318–325, June 1997.
- G. Bertuccio, S. Caccia, “Progress in ultra-low-noise ASICs for radiation detectors”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 579, pp.
243–246, 2007.
- G. Bertuccio, S. Caccia, ” Noise Minimization of MOSFET Input Charge Amplifiers based on ΔN and Δµ 1/f Models”, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 56, no. 3, 2009, pp.1511 – 1520.
Inoltre, il documento US-A-2018/0006613 descrive inoltre un preamplificatore di carica integrato che presenta uno strato conduttivo posto al di sotto del pad di ingresso (o di una parte di esso) per realizzare uno degli elettrodi della capacità di retroazione. Tale strato conduttivo viene realizzato al di sopra di uno strato isolante disposto sul substrato, al fine di mantenere l’isolamento elettrico fra l’uscita dell’amplificatore e il substrato.
Il Richiedente ha notato che questa soluzione non appare soddisfacente in relazione alla riduzione della capacità parassita e della conseguente carica equivalente di rumore ENC.
SOMMARIO DELL’INVENZIONE
La presente invenzione affronta il problema di proporre un preamplificatore di carica, integrato in una piastrina di materiale semiconduttore, di tipo alternativo a quelli noti e che, secondo un aspetto particolare, presenti una capacità di ingresso ridotta rispetto a quella ottenibile secondo le soluzioni dell’arte nota sopra indicate, con conseguente miglioramento della carica equivalente di rumore ENC.
Il Richiedente ha osservato che un preamplificatore di carica integrato in una piastrina di materiale semiconduttore alternativo a quelli noti è ottenibile realizzando un condensatore di retroazione che comprende un elettrodo, collegato all’uscita del dispositivo preamplificatore, formato da una vasca conduttiva drogata integrata nel substrato della piastrina a semiconduttore ed avente una conducibilità di tipo opposto a quella del substrato. Questa modalità di realizzazione di un elettrodo della capacità di retroazione permette di ottenere, nel caso particolare in cui tale vasca sia almeno in parte affacciata al pad di ingresso, un preamplificatore di carica con capacità di ingresso inferiore a quella presente nei dispostivi dell’arte nota.
Secondo un aspetto, la presente invenzione ha per oggetto un preamplificatore di carica integrato in una piastrina di materiale semiconduttore come descritto dalla rivendicazione 1 e da sue forme di realizzazioni preferenziali come definite dalle rivendicazioni 2-13.
Forma oggetto della presente invenzione anche un apparato di rivelazione come descritto dalla rivendicazione 14 e da una sua forma di realizzazione particolare definita dalla rivendicazioni 15.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La presente invenzione viene qui di seguito dettagliatamente descritta, a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento agli allegati disegni, nei quali:
- la figura 1 mostra lo schema circuitale di un preamplificatore di carica comprendente un amplificatore operazionale e una capacità di retroazione; - la figura 2 mostra una sezione di una piastrina di materiale semiconduttore in cui è integrato detto preamplificatore di carica;
- la figura 3 mostra schematicamente un apparato di rivelazione comprendente un sensore di radiazioni e detto preamplificatore di carica. DESCRIZIONE DETTAGLIATA
Mentre l’invenzione è suscettibile di varie modifiche e costruzioni alternative, alcune forme di realizzazione particolari sono mostrate nei disegni e saranno descritte qui di seguito in dettaglio. Nella presente descrizione, elementi o componenti analoghi o identici saranno indicati nelle figure con lo stesso simbolo identificativo.
La figura 1 mostra, secondo un esempio, lo schema circuitale di un preamplificatore di carica 100 comprendente un amplificatore operazionale 1 e un condensatore di retroazione Cf. In accordo con l’esempio mostrato, l’amplificatore operazionale 1 è un amplificatore operazionale a basso rumore e comprende un ingresso IN collegato ad un nodo N, a sua volta collegato ad un terminale di ingresso dell’amplificatore operazionale 1 (per esempio, il relativo terminale invertente “-“) e un terminale di uscita OUT. L’amplificatore operazionale 1 ha un ulteriore terminale d’ingresso, per esempio il terminale non invertente “+”, collegato ad un terminale di massa GND.
Il condensatore di retroazione Cf è collegato fra il terminale di uscita OUT e il nodo N, collegato al terminale di ingresso IN. In parallelo al condensatore di retroazione può essere posto un resistore di retroazione Rf che rappresenta, per esempio, un percorso di scarica della capacità di retroazione in architetture a reset continuo, o la resistenza equivalente di un interruttore di reset in caso di architetture a reset impulsato. In particolare, il condensatore Cf ha un primo elettrodo 3 collegato all’ingresso IN mediante il nodo N ed un secondo elettrodo 2 collegato all’uscita OUT.
Il preamplificatore di carica 100 opera come un integratore in grado di integrare un segnale in corrente iIN presente all’ingresso IN fornendo sull’uscita OUT un segnale in tensione vOUT con ampiezza proporzionale alla carica elettrica posta all’ingresso IN.
Il preamplificatore di carica 100 è realizzabile in una piastrina di materiale semiconduttore secondo la tecnologia CMOS (Complementary – Metal-Oxide Semiconductor), o secondo la tecnologia BiCMOS (Bipolar Complementary Metal-Oxide Semiconductor) oppure secondo la tecnologia BCD (Bipolar-CMOS – DMOS). La tecnologia DMOS include le tecniche del Vertical Diffused MOS (VDMOS) e del Lateral Diffused MOS (LDMOS).
La figura 2 mostra (secondo una sezione verticale) una piastrina di materiale semiconduttore 200 nella quale è integrato l’amplificatore 100. In particolare, in una prima porzione 201 della piastrina 200 sono integrati alcuni componenti dell’amplificatore 100 (in tecnologia CMOS), tra i quali è realizzato il condensatore di retroazione Cf. In una seconda porzione 209 della piastrina 200 è integrato l’amplificatore 1, il quale è rappresentato solo in modo schematico in figura 2, in quanto la sua realizzazione è evidente per il tecnico del settore e la cui realizzazione può variare a seconda delle esigenze di applicazione.
La piastrina 200 comprende un substrato di materiale semiconduttore 202 drogato secondo un primo tipo di conduttività. Per esempio, il substrato 202 è in silicio, presenta una conduttività di tipo p e definisce una superficie interna 203.
All’interno del substrato di silicio 202 è realizzata una sacca o vasca 205 (in inglese tub o well) drogata in modo tale da presentare un secondo tipo di conduttività, opposta a quella del primo tipo. Secondo l’esempio, è realizzata una vasca di tipo n. La vasca 205 si estende dall’interno del substrato 202 e definisce un’ulteriore superficie 211 che si trova al livello della superficie interna 203. La vasca 205 rappresenta, da un punto di vista circuitale, il secondo elettrodo 2 del condensatore di retroazione Cf. La vasca 205 può avere drogaggi tipici compresi tra 10<14 >e 10<16 >cm<-3>..
Sulla superficie interna 203 del substrato 202 e sulla vasca 205 è disposto uno strato di materiale elettricamente isolante 204 quale, per esempio, uno strato di biossido di silicio.
Per esempio, lo strato di biossido di silicio 204 ha uno spessore compreso fra 1µm e 10µm.
Si noti che la vasca 205 è collegata all’uscita OUT dell’amplificatore 1. In particolare, all’interno dello strato di biossido di silicio è realizzato un primo strato di interconnessione 206 realizzato in materiale metallico o polisilicio. Il primo strato di interconnessione 206 presenta un estremo collegato ad una zona laterale 207 della vasca 205 mediante un primo elemento di contatto 208. Tale primo elemento di contatto 208 comprende, per esempio, una regione di materiale drogato secondo una conduttività di tipo n, che si estende dal primo strato di interconnessione 206 fino alla vasca 205 secondo una prima direzione ortogonale a quella individuata dal substrato di materiale semiconduttore 202. Un altro estremo dello strato di interconnessione 206 è collegato all’uscita OUT del preamplificatore 100. In particolare, il primo strato di interconnessione 206 ha un sagoma filiforme (a sezione quadrata o rettangolare) e per esempio presenta una larghezza (nella direzione ortogonale a quella individuata dal piano di figura 2) pari all’incirca ad 1 µm.
Inoltre, la piastrina 200 è dotata di un pad (chiamato anche piazzola) conduttivo 212 di collegamento all’ingresso IN del preamplificatore 100 realizzato in prossimità di una superficie della piastrina 211 (per esempio, uno strato di passivazione) dello strato elettricamente isolante 204, opposta a quella a contatto con il substrato semiconduttore 202. Tale pad 212 è integrato, almeno parzialmente, nello strato di materiale isolante 204 ed è collegato ad un conduttore 213, quale un filo di bonding, che può costituire l’ingresso IN del preamplificatore. Alternativamente al filo di bonding è impiegabile un collegamento di tipo bump-bonding. Preferibilmente, il filo di bonding 213 è saldato al pad 212.
Il pad 212 comprende almeno un primo strato conduttivo 214 (per esempio, metallico) ma può essere anche dotato, come mostrato in figura di un secondo strato conduttivo 215 elettricamente collegato al primo strato conduttivo 214 mediante secondi elementi di contatto (in inglese via-holes o semplicemente vias) 216 formati da materiale conduttore, tipicamente metallico. Il secondo strato conduttivo 215 è dimensioni identiche o analoghe a quelle del primo strato conduttivo 214 ed è affacciato a questo, all’interno dello strato elettricamente isolante 204. È anche possibile che il pad 212 comprenda più di due strati conduttivi 215 affacciati e collegati fra loro.
Inoltre, la piastrina 200 include almeno un secondo strato di interconnessione 210 realizzato, in particolare, in materiale conduttore quale, per esempio, alluminio, oppure altro materiale metallico. Il secondo strato di interconnessione 210 presenta una porzione collegata al pad 212 e un’altra porzione collegata al terminale invertente “-” dell’amplificatore 1. In particolare, il secondo strato di interconnessione 210 è collegato al secondo strato conduttivo 215 (per esempio, è parte dello stesso strato di metallizzazione) e si estende parallelamente a questo ma presenta una sagoma filiforme, analoga a quella del primo strato di interconnessione 206.
Il preamplificatore di carica 100 integrato nella piastrina 200 può essere realizzato, ad esempio, in modo da presentare una vista in pianta analoga a quella della figura no. 5 del documento US2018-A-0006613.
Nel funzionamento, la giunzione formata dal substrato semiconduttore 202 (di tipo p) e la vasca 205 (di tipo n) risulta polarizzata inversamente nella condizione in cui la tensione di uscita vOUT rimanga maggiore od uguale alla tensione del substrato semiconduttore 202. In questa giunzione inversa (simbolicamente rappresentata in figura 2 mediante un diodo 219, p-n), per effetto della formazione di una regione di svuotamento sulla giunzione p-n, si realizza un isolamento elettrico fra il substrato 202 e la vasca 205 connessa all’uscita OUT dell’amplificatore 1.
Secondo una forma di realizzazione preferita, il pad 212 è affacciato alla vasca 205 e si estende parallelamente a tale vasca. Vantaggiosamente, la vasca 205 definisce una superfice 211 che è maggiore o uguale all’area della proiezione ortogonale sul substrato 202 del pad 212. In particolare, la vasca 205 ha dimensioni uguali o di poco superiori a quelle del pad 212 cioè, per esempio, quelle del primo strato conduttivo 214. In altre parole, la vasca 205 include l’area di proiezione del pad 212 sul substrato 202. Il pad 212 risulta distanziato dalla vasca 205 e separato dalla vasca stessa mediante il materiale dello strato elettricamente isolante 204 che costituisce un materiale dielettrico. Secondo questa forma di realizzazione preferita, la capacità di retroazione Cf è formata dal primo elettrodo 3 (realizzato dal pad 212), dal secondo elettrodo 2 (realizzato dalla vasca 205), e dalla porzione dello strato elettricamente isolante 204 fra questi interposto
Preferibilmente, la capacità di retroazione Cf presenta valori per esempio, compresi fra 1fF e i 10pF.
Per esempio, la distanza d fra la vasca 205 e una faccia inferiore del pad 212 è compresa fra 1µm e 10µm.
Si osservi che il condensatore di retroazione Cf sopra descritto presenta una capacità (anch’essa indicata con Cf) che include una componente capacitiva C1 (simbolicamente indicata in figura 2 con un condensatore C1) che è proporzionale all’area del pad 212 ed è generata dalla componente ortogonale del campo elettrico presente fra il pad 212 e la vasca 205.
Secondo una forma di attuazione particolare, la vasca 205 è realizzata nel substrato 202 in modo da estendersi (come anche visibile in figura 2) oltre la proiezione ortogonale del pad 212 sul substrato 202 stesso, per un’area sufficiente ad intercettare le linee di campo elettrico di bordo che, partendo dal bordo del pad 212, realizzano una componente perimetrale della capacità parassita del pad 212.
In tal modo, la capacità del condensatore di retroazione Cf include anche una seconda componente C2 (simbolicamente indicata in figura 2 con un condensatore C2) proporzionale al perimetro del pad 212 e generata dalla componente di bordo del campo elettrico presente fra il pad 212 e la vasca 215. Quindi, in questo caso, il condensatore di retroazione Cf presenta una capacità data dalla somma della prima componente C1 e della seconda componente C2.
Pertanto, mentre in un preamplificatore di carica realizzato secondo le tecniche tradizionali la capacità associata al pad di ingresso costituisce una capacità parassita che causa una carica equivalente di rumore, nella realizzazione sopra descritta la capacità associata al pad 212 viene utilizzata per ottenere la capacità di retroazione Cf.
Si noti che la realizzazione sopra descritta con riferimento alle figure 1 e 2 risulta anche vantaggiosa rispetto a quella adottata nel dispositivo del documento US2018-A-0006613. Infatti, come già indicato, il dispositivo del documento US2018-A-0006613 presenta uno strato conduttivo posto al di sotto del pad di ingresso (o di una parte di esso) per realizzare la capacità di retroazione. Tale strato conduttivo è realizzato al di sopra di uno strato isolante disposto sopra o ricavato all’interno del substrato della piastrina, al fine di mantenere l’isolamento elettrico fra l’uscita dell’amplificatore e il substrato. Il principale svantaggio di questa configurazione dell’arte nota è che la deposizione dello strato isolante e dello strato conduttivo al di sopra del substrato, comportano la realizzazione di una capacità di retroazione più grande della capacità parassita generata dal pad nei dispostivi tradizionali.
La capacità è infatti inversamente proporzionale alla distanza fra le armature che contengono il campo elettrico e, nella configurazione proposta nel documento US2018-A-0006613, la presenza dello strato di isolamento e dello strato conduttivo, comportano una inevitabile riduzione di tale distanza, con un conseguente aumento della capacità parassita del pad (convertita in capacità di retroazione) e quindi un aumento della capacità totale afferente al nodo d’ingresso del preamplificatore.
Al contrario, nella soluzione descritta con riferimento alle figure 1 e 2, la capacità parassita del pad 212 non viene incrementata, poiché la realizzazione della vasca 205 non causa un avvicinamento dei due elettrodi 2 e 3 che racchiudono il campo elettrico. Ciò permette di minimizzare la capacità d’ingresso dell’amplificatore 1 con un conseguente miglioramento delle prestazioni.
Inoltre, si osservi che la soluzione qui descritta permette, a parità di dimensioni del pad, di ottenere dei valori di capacità di retroazione Cf minori di quelle ottenibili secondo il documento anteriore sopra indicato. Dato che il guadagno di trasformazione del preamplificatore 100, definito come il rapporto fra la carica iniettata all’ingresso IN e la tensione vOUT in uscita OUT, risulta essere inversamente proporzionale alla capacità di retroazione Cf, la riduzione della capacità Cf comporta un aumento di tale guadagno consentendo un maggiore abbattimento del rumore introdotto dagli stadi successivi della catena di elaborazione del segnale.
Un ulteriore vantaggio offerto dalla presente soluzione è la possibilità, a parità di capacità di retroazione, di avere un pad 212 d’ingresso di dimensioni maggiori di quelli del documento sopra indicato con conseguente aumento dell’affidabilità del fissaggio del filo di bonding 213 al pad 212 e della resistenza meccanica del pad stesso.
Il Richiedente ha effettuato delle simulazioni del preamplificatore di carica 100 realizzato secondo quanto descritto con riferimento alla piastrina 200. Tali simulazioni funzionali, effettuate tramite CAD ed estraendo numericamente i valori di capacità parassita con il software Cadence “QRC Field Solver” (simulazione elettromagnetica del campo elettrico su un circuito in tecnologia CMOS 0.35 µm), hanno confermato, in alcuni casi, fino al 40% di riduzione della capacità totale di un pad standard da 100x100 µm, rispetto alla soluzione proposta nel documento anteriore sopra indicato.
Si noti che il preamplificatore di carica 100 può essere realizzato in una piastrina di materiale semiconduttore 200 avente un substrato 202 di tipo n, cioè di conduttività opposta a quella sopra descritta con riferimento alla figura 2. In tal caso, il substrato 202 di tipo n risulta, nel funzionamento, polarizzato alla tensione più alta della piastrina 200. Secondo questa forma di attuazione, la vasca 205 è realizzata con un drogaggio tipo p e con posizione e funzionalità identiche a quelle descritte con riferimento alla vasca di tipo n. Il contatto elettrico fra la vasca 205 di tipo p e il secondo strato di interconnessione 210 può essere realizzato mediante il primo elemento di contatto 208 che comprende, per esempio, un materiale drogato ed avente conduttività di tipo p. In questo caso l’isolamento elettrico fra la vasca 205 di tipo p e il substrato 202 di tipo n è mantenuto, a patto che il substrato 202 di tipo n sia polarizzato ad una tensione più alta della vasca di tipo p.
Inoltre, una prima possibile variante rispetto a quella sopra descritta con riferimento alla figura 2 riguarda il fatto che la vasca 205, affacciata al pad 212, presenti una superficie 211 avente un’area inferiore all’area del pad 212. In altre parole, la vasca 205 risulta inclusa nell’area di proiezione del pad 212 sul substrato 202 ma ne occupa solo una parte. Questa soluzione permette di realizzare una capacità di retroazione Cf pari a frazioni della capacità parassita del pad 212.
In accordo con una seconda variante, è possibile realizzare la vasca 205 completamente o in parte all’esterno dell’area di proiezione sul substrato 202 del pad 212. In questo caso, la vasca 205 è realizzata in modo da essere affacciata (almeno in parte) al secondo strato di interconnessione 210, che viene a costituire il primo elettrodo 3 del condensatore di retroazione Cf. Tale seconda variante, è utilizzabile, ad esempio, nel caso in cui la capacità di reatroazione Cf desiderata sia della stessa entità della capacità parassita presente secondo strato di interconnessione 210 (per esempio, di valore non superiore a 2fF).
La figura 3 mostra un apparato di rivelazione 300 comprendente un sensore di radiazioni 301 (RAD-DET) e il preamplificatore di carica 100. Un’uscita sensore 302 del sensore di radiazioni 301 è collegata all’ingresso IN del preamplificatore di carica 100 e cioè è collegata al filo di bonding 213 mostrato in figura 2.
Il sensore di radiazioni 301, quando attraversato da una radiazione elettromagnetica, produce un segnale di carica SCH proporzionale all’energia della radiazione assorbita. Il preamplificatore di carica 100 accetta all’ingresso IN questo segnale di carica SCH e lo converte in un segnale di tensione vOUT. Tale segnale di tensione vOUT può essere utilizzato da ulteriori stadi di elaborazione, al fine di generare, ad esempio, uno spettro energetico e/o una distribuzione temporale della radiazione.
A titolo di esempio, il sensore di radiazioni 301 può essere un rivelatore del tipo Semiconductor (o Silicon) Drift Detector (SDD) o un rivelatore di tipo Pixel Detector. Tali tipi di rivelatori richiedono preamplificatori di carica a bassissima capacità d’ingresso per raggiungere le più alte prestazioni in termini di rapporto segnale/rumore, velocità di risposta e stabilità nel tempo. Tipicamente la quantità di carica generata da rivelatori, ad esempio per raggi-X o gamma , è estremamente contenuta (da poche centinaia a poche decine migliaia di elettroni). Il preamplificatore di carica 100 sopra descritto risulta particolarmente adatto all’utilizzo nell’apparato di rivelazione 300 grazie alle prestazioni offerte, che permettono di aumentare la risoluzione energetica o temporale dell’apparato di rivelazione stesso.
L’apparato di rivelazione 300 può essere impiegato per applicazioni di tipo scientifico quali, ad esempio: strumentazione per fisica nucleare e delle particelle (sincrotroni, acceleratori, etc.); strumentazione per astrofisica; strumentazione medica e chimica per radiografie e spettroscopie. Inoltre, l’apparato di rivelazione 300 può essere impiegato in applicazioni di tipo industriale quali, per esempio: controllo della produzione di beni alimentari per la individuazione di contaminanti; sicurezza e controllo per la rilevazione di esplosivi e precursori di esplosivi; analisi di materiali tramite X-Ray Fluorescence (XRF).
È opportuno notare che il fatto che il preamplificatore di carica 100 permetta, rispetto all’arte nota, di aumentare l’area disponibile sul pad 212 per la connessione al filo di bonding, permettendo anche connessioni costituite da più fili di bonding, non solo aumenta l’affidabilità e la durata dell’apparato di rivelazione 300 ma permette anche di operare in ambienti soggetti a forti vibrazioni meccaniche. Tale miglioramento risulta particolarmente interessante per applicazioni astrofisiche e spaziali, in cui la fase di lancio di satelliti e sonde, ed eventualmente di atterraggio per i “rover”, sottopone la strumentazione scientifica a forti vibrazioni e stress meccanici.
Si osservi che, come in parte già indicato, il preamplificatore di carica 100 descritto permette di ottenere i seguenti vantaggi:
- riduzione della carica equivalente di rumore (ENC) del preamplificatore 100, come risultato della diminuzione della capacità d’ingresso Cin, con conseguente miglioramento della risoluzione energetica o temporale del sistema di misura in cui il preamplificatore è inserito;
- aumento del guadagno d’anello di retroazione del preamplificatore 100 con conseguente aumento della stabilità nel tempo del guadagno di trasformazione;
- aumento, a parità di capacità di retroazione Cf, della velocità di risposta del preamplificatore 100 per la riduzione dei tempi di salita/discesa del preamplificatore stesso in risposta ad un segnale d’ingresso;
- aumento, a parità di dimensioni del pad 212 d’ingresso, del guadagno di trasformazione ad anello chiuso del preamplificatore 100 con conseguente riduzione del contributo di rumore introdotto dagli stadi successivi della catena di elaborazione;
- aumento, a parità di capacità di retroazione Cf, dell’area o del numero di metallizzazioni del pad 212 di ingresso con conseguente aumento della affidabilità del fissaggio del filo di bonding 213 al pad 212 e di resistenza meccanica del pad stesso;
- riduzione del rumore iniettato, attraverso la capacità parassita del pad 212 verso il substrato 202, dalle fluttuazioni di tensione del substrato stesso verso l’ingresso IN del preamplificatore 100, per effetto dello schermaggio realizzato dalla vasca 205, pilotata dalla bassa impedenza di uscita dell’amplificatore 1.
Legenda delle figure
- preamplificatore di carica 100
- amplificatore operazionale
- condensatore di retroazione Cf
- ingresso IN
- nodo N
- terminale invertente “-“
- terminale di uscita OUT.
- terminale non invertente “+”
- terminale di massa GND
- un resistore di retroazione Rf
- secondo elettrodo 2
- primo elettrodo 3
- segnale in corrente iIN
- segnale in tensione vOUT
- piastrina di materiale semiconduttore 200
- prima porzione 201
- seconda porzione 209
- substrato di materiale semiconduttore 202 - superficie interna 203
- sacca o vasca 205
- strato di materiale elettricamente isolante 204 - primo strato di interconnessione 206
- zona laterale 207
- un primo elemento di contatto 208
- secondo strato di interconnessione 210 - ulteriore superficie 211
- pad conduttivo 212
- conduttore 213
- un primo strato conduttivo 214 - secondo strato conduttivo 215 - secondi elementi di contatto 216 - superficie della piastrina 217 - diodo 218
- apparato di rivelazione 300
- sensore di radiazioni 301
- uscita sensore 302

Claims (15)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo preamplificatore di carica (100) integrato in una piastrina di materiale semiconduttore (200) comprendente: un ingresso (IN) per un segnale di ingresso (iIN) ed un’uscita (OUT) per un segnale di uscita (vOUT); un substrato di materiale semiconduttore (202) drogato secondo un primo tipo di conduttività; uno strato elettricamente isolante (204) disposto su detto substrato (202); un condensatore di retroazione (Cf) integrato nella piastrina (200) e comprendente un primo elettrodo (3) collegato all’ingresso (IN) ed un secondo elettrodo (2) collegato all’uscita (OUT) , caratterizzato dal fatto che il secondo elettrodo (2) è formato da una regione conduttiva drogata (205) avente un secondo tipo di conduttività, opposto al primo tipo di conduttività, ed integrata nel substrato (202) in modo da risultare affacciata al primo elettrodo (3).
  2. 2. Dispositivo (100) secondo la rivendicazione 1, in cui il primo elettrodo (3) comprende un pad (212) collegato all’ingresso (IN) ed integrato in detto strato elettricamente isolante (204); detto pad essendo affacciato alla regione conduttiva drogata (205) e separato dalla regione conduttiva drogata (205) mediante una porzione interposta di detto strato elettricamente isolante.
  3. 3. Dispositivo (100) secondo la rivendicazione 2, in cui la regione conduttiva drogata (205) è realizzata nel substrato (202) in modo includere un’area di proiezione definita da una proiezione ortogonale del pad (212) sul substrato (202) e da estendersi oltre detta area di proiezione.
  4. 4. Dispositivo (100) secondo la rivendicazione 1, inoltre comprendente: un amplificatore operazionale (1) integrato nella piastrina di materiale semiconduttore (200) ed avente: un terminale di uscita collegato a detta uscita (OUT) , un primo terminale di ingresso (“-“) collegato elettricamente al primo elettrodo (3) e un secondo terminale di ingresso (“+”).
  5. 5. Dispositivo (100) secondo la rivendicazione 1, inoltre comprendente un primo strato di interconnessione (206) integrato in detto strato elettricamente isolante (204) ed avente una prima porzione collegata alla regione conduttiva drogata (205) e una seconda porzione collegata a detta uscita (OUT); un primo elemento di contatto elettrico (208) interposto fra detta prima porzione del primo strato di interconnessione (206) e la regione conduttiva drogata (205).
  6. 6. Dispositivo (100) secondo le rivendicazioni 2 e 4, inoltre comprendente: un secondo strato di interconnessione (210) integrato in detto strato elettricamente isolante (204) ed avente una porzione collegata al pad (212) e un’ulteriore porzione collegata al primo terminale di ingresso (“-“) dell’amplificatore operazionale (1).
  7. 7. Dispositivo (100) secondo la rivendicazione 2, in cui il pad (212) comprende almeno un primo strato conduttivo (214) e detto ingresso (IN) è realizzato mediante un filo di bonding (213) o mediante bump-bonding fissato a detto primo strato conduttivo.
  8. 8. Dispositivo (100) secondo la rivendicazione 7 in cui il pad (212) comprende inoltre: un secondo strato conduttivo (215) integrato nello strato elettricamente isolante (204) in modo da risultare affacciato al primo strato conduttivo; almeno un secondo elemento di contatto elettrico (216) che collega il primo strato conduttivo (214) al secondo strato conduttivo (215).
  9. 9. Dispositivo (100) secondo la rivendicazione 1, in cui detto capacitare di retroazione (Cf) ha un valore di capacità compreso fra 1fF e 10pF.
  10. 10. Dispositivo (100) secondo la rivendicazione 1, detto amplificatore è realizzato secondo una delle tecnologie selezionate fra: tecnologia CMOS, tecnologia BiCMOS, tecnologia BCD.
  11. 11. Dispositivo (100) secondo la rivendicazione 2, realizzato in modo che una distanza fra detto pad (212) e detta vasca conduttiva drogata (205) valutata secondo una direzione ortogonale al substrato (202) è compresa fra 1µm e 10µm.
  12. 12. Dispositivo (100) secondo la rivendicazione 2, in cui la regione conduttiva drogata (205) presenta una propria superficie (211) affacciata al pad (212) di area inferiore ad una corrispondente area del pad (212).
  13. 13. Dispositivo (100) secondo la rivendicazione 4, in cui la regione conduttiva drogata (205) è realizzata nel substrato (202) in modo da essere affacciata almeno in parte ad uno strato di interconnessione (210) integrato in detto strato elettricamente isolante (204) ed avente una porzione collegata all’ingresso (IN) del dispositivo e un’ulteriore porzione collegata al primo terminale di ingresso (“-“) dell’amplificatore operazionale (1).
  14. 14. Apparato di rivelazione (300), comprendente: un sensore di radiazione (301) configurato per convertire una radiazione elettromagnetica in un segnale di carica elettrica (SCH) da fornire su una relativa uscita del sensore di radiazione; un dispositivo preamplificatore di carica (100) collegato all’uscita del sensore di radiazione (301) per ricevere il segnale di carica (SCH) e fornire un segnale in tensione vOUT correlato al segnale di carica elettrica (SCH); caratterizzato dal fatto che detto dispositivo preamplificatore di carica (100) è realizzato secondo almeno una delle precedenti rivendicazioni.
  15. 15. Apparato di rivelazione (300) secondo la rivendicazione 12, in cui detto sensore di radiazione è un sensore selezionato fra: Semiconductor Drift Detector; Pixel Detector.
IT102018000010671A 2018-11-29 2018-11-29 Dispositivo preamplificatore di carica e apparato di rivelazione di radiazioni comprendente il dispositivo IT201800010671A1 (it)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT102018000010671A IT201800010671A1 (it) 2018-11-29 2018-11-29 Dispositivo preamplificatore di carica e apparato di rivelazione di radiazioni comprendente il dispositivo
PCT/IB2019/059931 WO2020109924A1 (en) 2018-11-29 2019-11-19 Charge preamplifier device and radiation detecting apparatus comprising the device
CA3120666A CA3120666A1 (en) 2018-11-29 2019-11-19 Charge preamplifier device and radiation detecting apparatus comprising the device
US17/297,815 US11604292B2 (en) 2018-11-29 2019-11-19 Charge preamplifier device and radiation detecting apparatus comprising the device
CN201980078375.0A CN113261205A (zh) 2018-11-29 2019-11-19 电荷前置放大器设备和包括该设备的辐射检测装置
JP2021529795A JP2022509203A (ja) 2018-11-29 2019-11-19 電荷前置増幅器デバイス、及び該デバイスを備える放射検出装置
EP19823810.7A EP3888243A1 (en) 2018-11-29 2019-11-19 Charge preamplifier device and radiation detecting apparatus comprising the device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT102018000010671A IT201800010671A1 (it) 2018-11-29 2018-11-29 Dispositivo preamplificatore di carica e apparato di rivelazione di radiazioni comprendente il dispositivo

Publications (1)

Publication Number Publication Date
IT201800010671A1 true IT201800010671A1 (it) 2020-05-29

Family

ID=65576525

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
IT102018000010671A IT201800010671A1 (it) 2018-11-29 2018-11-29 Dispositivo preamplificatore di carica e apparato di rivelazione di radiazioni comprendente il dispositivo

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11604292B2 (it)
EP (1) EP3888243A1 (it)
JP (1) JP2022509203A (it)
CN (1) CN113261205A (it)
CA (1) CA3120666A1 (it)
IT (1) IT201800010671A1 (it)
WO (1) WO2020109924A1 (it)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT201900025402A1 (it) * 2019-12-23 2021-06-23 Milano Politecnico Apparato di rivelazione di radiazioni

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4211941A (en) * 1978-08-03 1980-07-08 Rca Corporation Integrated circuitry including low-leakage capacitance
US20020113287A1 (en) * 1998-07-15 2002-08-22 Sang-Heon Lee Semiconductor integrated circuit device with capacitor formed under bonding pad
US6484054B2 (en) * 2000-06-12 2002-11-19 Medtronic, Inc. Deep trench semiconductor capacitors having reverse bias diodes for implantable medical devices
WO2012156748A1 (en) * 2011-05-19 2012-11-22 Oxford Instruments Nanotechnology Tools Limited Charge-sensitive amplifier
US20180006613A1 (en) 2012-08-02 2018-01-04 Horiba, Ltd. Amplifier and radiation detector

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0794570A1 (en) * 1996-03-06 1997-09-10 STMicroelectronics S.r.l. Integrated device with pads
CN101533813B (zh) * 2009-04-21 2012-03-21 上海宏力半导体制造有限公司 一种降低寄生电容的接触焊盘及其制备方法
CN102024774B (zh) * 2009-09-16 2012-07-25 上海宏力半导体制造有限公司 一种接触焊盘
CN102364681B (zh) * 2011-10-25 2016-09-14 上海华虹宏力半导体制造有限公司 焊盘、具有焊盘的绝缘体上硅器件
CN102610623A (zh) * 2012-01-11 2012-07-25 格科微电子（上海）有限公司 图像传感器及源跟随器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4211941A (en) * 1978-08-03 1980-07-08 Rca Corporation Integrated circuitry including low-leakage capacitance
US20020113287A1 (en) * 1998-07-15 2002-08-22 Sang-Heon Lee Semiconductor integrated circuit device with capacitor formed under bonding pad
US6484054B2 (en) * 2000-06-12 2002-11-19 Medtronic, Inc. Deep trench semiconductor capacitors having reverse bias diodes for implantable medical devices
WO2012156748A1 (en) * 2011-05-19 2012-11-22 Oxford Instruments Nanotechnology Tools Limited Charge-sensitive amplifier
US20180006613A1 (en) 2012-08-02 2018-01-04 Horiba, Ltd. Amplifier and radiation detector

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
E. CATS; P. F. MANFREDI; M. SAMPIETRO; V. SPEZIALI: "Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section: accelerators, spectrometers, Detectors and associated Equipment", vol. 297, 1990, article "suboptimal filtering of 1/f-noise in detector charge measurements", pages: 467 - 478
G. BERTUCCIO; S. HUNTING: "Noise Minimization of MOSFET input charge Amplifiers based on AN and Ap 1/f Models", IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, vol. 56, no. 3, 2009, pages 1511 - 1520, XP011262581
G. BERTUCCIO; S. HUNTING: "Progress in ultra-low-noise ASICS for radiation detectors", NUCLEAR INSTRUMENTS AND METHODS IN PHYSICS RESEARCH, vol. 579, 2007, pages 243 - 246, XP022190126, DOI: doi:10.1016/j.nima.2007.04.042
P. O'CONNOR; G. GRAMEGNA; P. REHAK; F. COURSES; C. MARZOCCA: "CMOS preamplifier with high Linearity and Ultra Low Noise for X-Ray Spectroscopy", IEEE TRANS. NUCL. SCI., vol. 44, June 1997 (1997-06-01), pages 318 - 325, XP011040893, DOI: doi:10.1109/23.603663

Also Published As

Publication number Publication date
CN113261205A (zh) 2021-08-13
EP3888243A1 (en) 2021-10-06
WO2020109924A1 (en) 2020-06-04
US20210396893A1 (en) 2021-12-23
JP2022509203A (ja) 2022-01-20
CA3120666A1 (en) 2020-06-04
US11604292B2 (en) 2023-03-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6393347B2 (ja) 電荷検出増幅器
US6455858B1 (en) Semiconductor radiation detector
Lutz et al. DEPFET sensor with intrinsic signal compression developed for use at the XFEL free electron laser radiation source
Manghisoni et al. Dynamic compression of the signal in a charge sensitive amplifier: From concept to design
EP2882098B1 (en) Amplifier and radiation detector
Kishishita et al. Low-noise analog ASIC for silicon and CdTe sensors
IT201800010671A1 (it) Dispositivo preamplificatore di carica e apparato di rivelazione di radiazioni comprendente il dispositivo
Gao et al. A novel source–drain follower for monolithic active pixel sensors
Havránek et al. Measurement of pixel sensor capacitances with sub-femtofarad precision
Perić et al. Hybrid pixel detector based on capacitive chip to chip signal-transmission
CN109100771B (zh) 辐射检测器和操作辐射检测器的方法
Gao et al. Development of a compact radiation-hardened low-noise front-end readout ASIC for CZT-based hard X-ray imager
Gan et al. Design of a Multi-Channel Low-Noise Readout ASIC for CdZnTe-Based X-Ray and $\gamma $-Ray Spectrum Analyzer
Dalla Betta et al. Monolithic integration of Si-PIN diodes and n-channel double-gate JFET's for room temperature X-ray spectroscopy
Zhang et al. Development of DEPFET Macropixel detectors
Lutz et al. The avalanche drift diode: A new detector concept for single photon detection
EP4081834B1 (en) Radiation detection apparatus
Maleki et al. A corona-charged self-biased radiation dosimeter
Fazzi et al. Charge-sensitive amplifier front-end with an nJFET and a forward-biased reset diode
Fan et al. Pixelated CdZnTe detector based on topmetal-IIa readout chip
Álvarez-Rengifo et al. Characterization of SOI monolithic detector system
Bertuccio et al. Anode capacitance measurement of silicon drift detectors in operating conditions
Dalla Betta et al. JFET preamplifiers with different reset techniques on detector-grade high-resistivity silicon
Kishishita et al. Characterization of Depleted Monolithic Active Pixel detectors implemented with a high-resistive CMOS technology
Kremastiotis Characterisation of capacitively coupled HV/HR-CMOS sensor chips for the CLIC vertex detector