Tecnologia della fotorivelazione basata su dispositivi a semiconduttore

1 1) Introduzione Lo scopo di questa tesi è di descrivere gli attuali dispositivi microelettronici a stato solido (a semiconduttore inorganico) di tipo bulk, ovvero dispositivi privi di nanostrutture confinanti per i portatori di carica mobile, come pozzi, fili e punti quantici (“quantum wells, quantum wires, quantum dots”), adatti a rivelare elettricamente un segnale luminoso incidente, caratterizzato da una certa intensità e frequenza. Presenteremo una panoramica sulle tecniche di fotorivelazione più utilizzate, riservando amplio spazio alla fisica che sta alla base dell’optoelettronica ed accennando brevemente alle applicazioni di maggior interesse, come ad esempio le telecomunicazioni su fibra ottica, i rilevamenti telemetrici o vari tipi di “mapping” per uso di diagnostica medica, terminando con i fotomoltiplicatori, di ultima generazione, candidati ad essere utilizzati nella tomografia ad emissione di positroni (in inglese PET – “Positron Emission Tomography”). Questi ultimi sono noti, in ambito tecnico – scientifico, con il nome di SiPMs (“Silicon Photon Multipliers” – fotomoltiplicatori al silicio). Dei dispositivi per fotorivelazione che prenderemo in esame descriveremo i principi di funzionamento, richiamando alcuni concetti fondamentali di fisica dei semiconduttori e alcune loro proprietà ottiche, le principali caratteristiche e le proprietà in base a cui vengono classificati (ad esempio l’efficien za quantica, l’efficienza di rivelazione dei fotoni, il rapporto segnale/rumore, il guadagno, il range dinamico, la responsività, la risoluzione temporale ecc… ) e citeremo brevemente alcune tecnologie e passi di processo importanti che ne consentono l’integrazione a livello sub – micrometrico. Analizzeremo i dispositivi optoelettronici, ad omogiunzioni ed eterogiunzioni, più utilizzati, come i PIN (semiconduttore drogato p/semiconduttore intrinseco/semiconduttore drogato n), gli APDs (“Avalanche Photo Diode s” – fotodiodi a valanga), i SAM – APDs (“Separate Absorption and Multiplication APDs” - fotodiodi a valanga a regioni di assorbimento e moltiplicazione separate), i SAGM – APDs (“Separate Grading Absorption and Multiplication APDs” – SAM a variazione graduale del gap di energia), i GM – APDs (“Geiger Mode APD s” – APDs funzionanti in modalità Geiger) ed i SiPM. Vedremo come il loro impiego consenta di risolvere alcuni dei problemi che interessano i dispositivi a tubo (noti come PMTs – “Photon Multipliers Tubes” - fotomoltiplicatori a tubo), ampiamente usati in passato e tutt’oggi . Infine, una volta chiarite la fisica e la topologia dei suddetti fotorivelatori, illustreremo (in appendice D), a livello di principio, il contesto strumentale nel quale vanno inseriti, al fine di acquisire immagini computerizzate nell’ambito della PET. 2) La tomografia ad emissione di positroni (“Positron Emission Tomography” – PET) 2.1) Il principio fisico alla base della PET Prima di discutere il funzionamento di un generico fotorivelatore, è opportuno descrivere sinteticamente il principio fisico, sfruttato nell’ambito della PET, per l’acquisizione di immagini computerizzate. In natura un neutrone isolato (la cui vita media τ è stimata intorno ai 15 minuti, con un’accuratezza dell’ordine del secondo) può decadere in un insieme di particelle comprendente un protone, un antineutrino elettronico ed un elettrone (quest’ultimo storicamente chiamato “raggio beta” ), secondo la seguente reazione, conosciuta sotto il nome di “decadimento beta” : - n → p + + e −27 massa del protone = m= 1,672 621 71(29) × 10 kg p −27 massa del neutrone = m= 1,674 927 29(28) × 10 kg n tempo di dimezzamento = = τ Il processo ora discusso è possibile grazie alla conservazione dell’energia: il neutrone ha massa a riposo 2 maggiore di quella del protone, per cui la quantità di energia pari a (m – m)c (l’energia “residua” della np trasformazione del neutrone isolato in un protone) dà origine alle altre due particelle. Dunque, essendo m> m, n p