Presentazione Laurea I

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CATANIA FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di laurea in Ingegneria Elettronica

Gaetano L’Episcopo

Caratterizzazione elettrica di una matrice di rivelatori di singolo fotone

®

Relatore: Chiar.mo Prof. Gaetano Palumbo Correlatori: Dott. Delfo Sanfilippo Dott. Paolo Finocchiaro Anno Accademico 2005 - 2006

Rivelare singoli fotoni 

SPAD



Fotodiodo polarizzato inversamente sopra il breakdown Fotone in ingresso Corrente in uscita Ionizzazione per impatto Elevato guadagno (~ 106) Geiger Mode: dispositivo digitale Comportamento on-off su segnale

  

Gaetano L'Episcopo

Single Photon Avalanche Diode

20 Luglio 2006

2

SPAD: limiti ed applicazioni     

Range Dinamico Dark Count Afterpulsing Efficienza Quantica Cross Talk

Circuiti di quenching

Applicazioni:     

Gaetano L'Episcopo

20 Luglio 2006

Sensoristica Medicina Telecomunicazioni Astrofisica Fisica Nucleare 3

Corrente in uscita e guadagno t2

RL = 100 kΩ VA

+

ID

RS = 50 Ω

A B

SPAD

Q media = ∫ I D ( t ) dt = C D ⋅ ( VA − Vbreakdown ) t1

Q media Guadagno medio = e

+ VOUT

Al crescere della tensione aumenta il guadagno del dispositivo Al crescere della tensione il resistore di quenching non riesce a “spegnere” la corrente Gaetano L'Episcopo

20 Luglio 2006

4

Misure di carica su singolo pixel SPAD

a

Generatore di gate

Discriminatore

c Linea di ritardo

b

Charge Digital Converter (QDC)

Segnale in uscita dallo SPAD a

Segnale in uscita dallo SPAD ritardato t

b c

Gate di integrazione

t

Conteggi

t

Dati Fit

Qmedia = 2,25 pC σ = 0,1·10-12 Gmedio = 1,4·107

0

20 Luglio 2006

Spettri di carica

Carica a 33 V

20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0

20 ns Gaetano L'Episcopo

Computer

1

2

3

4

5

Carica [pC]

6

7

8

5

Array di SPAD in configurazione SiPM 

SiPM

Silicon PhotoMultiplier

Fotoni in ingresso

1 Fotone K n Fotoni nK Uscita

Gaetano L'Episcopo

20 Luglio 2006

6

Misure di carica in configurazione SiPM Carica a 32 V

1000

100000

100

Conteggi

Conteggi

Dati

Lo spettro rispecchia una gaussiana

10

Carica a 34 V

1000000

Dati

Picchi multipli

10000

Eventi di cross talk

1000 100 10

1

1 0

1

2

3

4 5 6 Carica [pC]

7

8

9

10

Carica a 36 V

100000

0

1

2

3

4 5 6 Carica [pC]

8

9

10

Carica a 38 V

100000

Dati

Dati

Eventi di cross talk

Picchi multipli

1000 100

Conteggi

10000

10000

Conteggi

7

100

10

10

1

1

0

1

2

Gaetano L'Episcopo

3

4

5

6

Carica [pC]

7

8

9

Eventi di cross talk

1000

10 11 20 Luglio 2006

0

1

2

3

4

5

6 7 8 9 10 11 12 13 14 Carica [pC] 7

Disuniformità di guadagno fra pixel G medio = C D ⋅ ( VA − Vbreakdown ) ⋅ e

−1

Capacità [pF]

Capacità a 0 V

1,4 1,35 1,3 1,25 1,2 1,15 1,1 1,05 1 0,95

2 5 1

2

3

4

4

3

Differente lunghezza delle piste di metal

1

Righe

5

Colonne

Differenze nelle capacità dei pixel Gaetano L'Episcopo

Disuniformità di guadagno 20 Luglio 2006

Allargamento degli spettri di carica 8

Conclusioni 

Dalle misure di carica su singolo pixel:   



Dalle misure di carica in configurazione SiPM:  





Il guadagno cresce con la tensione applicata Le fluttuazioni statistiche di guadagno crescono con la tensione applicata A tensioni elevate il resistore di quenching scelto non è efficace La risoluzione dello spettro si riduce al crescere della tensione di polarizzazione È presente disuniformità di guadagno fra pixel dovuta soprattutto alle differenze di capacità create dalla differente lunghezza delle piste di metal su silicio È presente cross talk, imputabile sia ad effetti induttivi di tipo elettromagnetico sia ad interferenze ottiche. Tale fenomeno cresce con la tensione applicata

Sviluppi futuri: 

Realizzazione di un dispositivo SiPM con circa 5000 pixel e con resistori di quenching integrati

Gaetano L'Episcopo

20 Luglio 2006

9

Ringraziamenti    

 

Il Chiar.mo Prof. Gaetano Palumbo Il Dott. Delfo Sanfilippo Il Dott. Paolo Finocchiaro L’ IC’s Technology Development Group della STMicroelectronics di Catania La mia famiglia I miei amici e colleghi

Gaetano L'Episcopo

20 Luglio 2006

10