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Effetti del danneggiamento da radiazione ionizzante sulle caratteristiche elettriche e di rumore di transistori Cmos

Sempre più spesso si presenta negli ambiti della ricerca, delle applicazioni spaziali o delle centrali termonucleari, il problema di utilizzare circuiti elettronici integrati in ambiente radioattivo. In commercio esistono già tecnologie che presentano alcuni accorgimenti (nella struttura e nel processo di realizzazione) che le rendono, in parte, immuni agli effetti delle radiazioni. Tuttavia le dosi che sono in grado di sopportare sono piuttosto basse, il loro costo molto elevato e le prestazioni non sempre all’altezza delle necessità dell’utente. Per superare questi problemi presso il CERN di Ginevra sono da tempo in corso studi per individuare delle tecnologie migliori sia in termini di prestazioni, sia di costi. Si deve innanzi tutto osservare che, nell’ambito dei circuiti integrati, il componente più sensibile al danneggiamento da radiazione è il transistore: la sua resistenza in ambiente radioattivo rappresenta dunque il parametro più interessante in tale ricerca. Per questo motivo si è scelto di utilizzare le tecnologie CMOS, perché presentano transistori intrinsecamente più immuni alle radiazioni, dato che sono sensibili quasi esclusivamente agli effetti delle radiazioni ionizzanti. In secondo luogo si è scoperto che l’utilizzo di tecnologie CMOS recenti (caratterizzate da una lunghezza minima di canale di gate inferiore al micrometro, come quelle attualmente impiegate nella realizzazione, ad es., delle memorie o dei microprocessori per calcolatori) con opportune geometrie per i transistori, rappresentano una buonissima soluzione del problema.
Il lavoro presentato nella presente tesi s'inserisce nell’ambito di questa ricerca (in gran parte svolta nei laboratori del CERN) che dovrebbe portare alla realizzazione di circuiti integrati ad ottime prestazioni e resistenti alle radiazioni.
Nella prima parte sono descritti i risultati di misure effettuate su transistori CMOS di una tecnologia piuttosto vecchia (2,5 mm) ma aventi strutture tali da permettere di evidenziare le relazioni che intercorrono tra le caratteristiche strutturali del dispositivo e gli effetti del danneggiamento da radiazione ionizzante. Vengono quindi individuate quali sono le condizioni indispensabili perché si possano realizzare dispositivi resistenti alle radiazioni.
Nella seconda parte, invece, si è cercato di contribuire alla caratterizzazione della tecnologia CMOS 0,25 mm attualmente utilizzata al CERN per la progettazione dei sistemi di rivelazione per i prossimi esperimenti. L’attenzione è stata completamente rivolta allo studio del rumore elettrico, con lo scopo di effettuare una valutazione critica (anche in vista d'eventuali miglioramenti) della tecnologia. Insieme ai risultati ed alla loro analisi viene descritto il metodo di misura e la progettazione dell’apparato sperimentale. Viene infine analizzato come cambia il rumore in seguito all’esposizione a radiazioni ionizzanti.

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3 Capitolo 1 Introduzione La fisica delle alte energie necessita in generale di un ingente supporto di circuiti elettronici, principalmente per la rivelazione degli eventi di interesse mediante l�elaborazione dei segnali risultanti. Al Laboratorio Europeo per la Fisica delle Particelle (il CERN), presso Ginevra, si sta attualmente lavorando per la realizzazione di un nuovo collisionatore di particelle, denominato LHC (Large Hadron Collider), per lo studio di urti tra protoni o tra ioni pesanti, portati ad altissime energie. Al fine di poter studiare i prodotti di tali collisioni si stanno realizzando dei sofisticati sistemi di rivelazione. Lo schema di uno di questi, CMS (Compact Muon Solenoid), dedicato allo studio delle collisioni protone-protone, � rappresentato in figura 1.1 [1]. Si tratta essenzialmente di una serie di rivelatori cilindrici coassiali che hanno lo stesso asse del fascio di particelle, chiusi alle estremit� da due �tappi�, anch�essi composti da rivelatori. La parte centrale (Tracker) permette di rivelare la traiettoria delle particelle prodotte dalle collisioni, mentre i rivelatori che lo circondano (detti calorimetri), composti da materiali pesanti, servono per assorbire, e quindi misurare, la loro energia. I rivelatori pi� esterni, la camere a muoni, devono rivelare il passaggio di tali particelle, e forniscono il trigger dell�esperimento. La frequenza delle collisioni � fissata dalla distanza temporale tra i pacchetti di particelle in LHC, 25 ns, ed � pari a 40 MHz. Attualmente i segnali forniti da un singolo rivelatore sono di tipo elettrico e necessitano per la lettura di catene elettroniche, un cui tipico schema � rappresentato in figura 1.2 [2]. Tali circuiti (spesso detti di front-end), o comunque almeno il preamplificatore e il formatore, devono venire localizzati nelle immediate

Tesi di Laurea

Facoltà: Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali

Autore: Stefano Florian Contatta »

Composta da 141 pagine.

 

Questa tesi ha raggiunto 1959 click dal 20/03/2004.

 

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Disponibile in PDF, la consultazione è esclusivamente in formato digitale.