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SiGe-chip

Circuiti integrati di front-end in Silicio-Germanio per esperimenti di fisica nucleare e subnucleare

Tecnologia SiGeL’industria microelettronica si sta muovendo verso processi in Silicio (CMOS e BICMOS) con dispositivi a canale sempre piu’ corto.

Anche per i circuiti elettronici sviluppati per esperimenti di Fisica e’ importante seguire questo trend:

elevato numero di canali disponibili maggiore integrazione

migliori prestazioni circuitali elevata velocitàfunzionale

bassa dissipazione di potenza (per dispositivo!)ridotto livello di rumoremigliore tolleranza alle radiazioni

L’80% dei semiconduttori al mondo è Si-CMOSEsistono pero’ anche materiali alternativi(SiGe, GaAs, SOI, SOS …)Un “market-oriented statement” suggerisce:

CMOS “Balances needs and cost for high-volume/mature applications”

SiGe BICMOS “A solution for today’s most challenging Analog and Mixed Signal (AMS) applications”

Tecnologia SiGeLe tecnologie SiGe BiCMOS sono:

solitamente “derivate” da tecnologie CMOS- per applicazioni con frequenze di lavoro elevate (> 10 GHz) (RF Tuner, WLAN, mmWave, SONET ..)- condividono molti dei componenti di libreria- sono un po’ piu’ complesse (piu’ maschere, piu’ variabili di processo disponibili)

“ottimizzate” per applicazioni analogiche a larga banda

- i bipolari sono meno sensibili dei MOS alla “resistenza di substrato” per circuiti RF (Rsub ~ 40-80 Ω-cm)- hanno capacita’ MIM di buona qualita’ (~ 4 fF/μm2) e di valore ~ doppio di quella di un processo CMOS- hanno una tensione di rottura relativamente alta (~ 6 Volt) essenziale in applicazioni in cui esiste una grande variazione nell’ampiezza dei segnali da amplificare caso tipico dell’elettronica di front-end per rivelatori

- esempi di utilizzo analogico: lo stadio di ingresso di amplificazione degli oscilloscopi a larga banda costruiti da Tektronix e da LeCroy sono realizzati in SiGe.

Tecnologia SiGeI transistori bipolari ad eterogiunzione (HBT) inoltre:

hanno una resistenza parassita di base (Rbb’) molto bassa - sono particolarmene adatti in progetti di elettronica a basso rumore

hanno un rapporto gm/I piu’ alto dei transistori CMOS- cosi’ da permettere stadi di amplificazione con basso consumo di potenza

in generale i bipolari sono rad-hard rispetto alla radiazione ionizzante

- nessuna variazione in β almeno fino a dosi ~ 1 Mrad

avendo un alto fT sono anche “proton and neutron hard”- per fluenze di particelle ~ 1013 hit/cm2

La tecnologia BICMOS inoltre:

per le applicazioni di fisica NON e’ necessario usare tecnologie “last generation deep sub-micron”

- 0.35 – 0.25 mm sono adequate- i processi AMS, IHP e IBM sono disponibili via Europractice o Mosis

come tutte le tecnologie “CMOS based” e’ in grado di operare a temperature criogeniche

- molti studi sono stati effettuati da J. Cressler (Georgia Tech)

Attività ed esperienza del gruppo

Test chip “PZ0”, INFN experiment MICRO-TEKJFET-CMOS preamp for Ge detectors

AMS silicon CMOS 0.8µm CZX Tech

RD CF

BF862

Cdet

detector

Vout

G

new output stage (low impedance,

large voltage swing)

RF 2.5 V

-3 V VD

external components ASIC (CMOS

0.8µm 5V)

VCC

A = gm RD × G

2.5 V

-3 V

CM

Vint

T1 5000.8

T2 50 0.8

T3 300 0.8 I1

I2

Unity gain output stage

Gopen loop =~ 105

Gloop=~ 480

Output swing = 2.4V

Microfotografia del chip bondato

Test chip “SR1”, INFN experiment MICRO-TEKCMOS fully differential preamp for Ge detectors

AMS silicon CMOS 0.8µm CZX Tech

Output Line Driver

Stage

Preamplifier Input Stage

3.3 mm

Transmission line terminating preamplifier(Hybrid circuit adopted by ATLAS LAr)

Un circuito innovativo con uno stadio di ingresso con transistori bipolari con emettitore a massa.

Il “feedback locale” garantisce basso rumore (Rnoise = 10 Ω) e larga banda dinamica senza aumentare la potenzadissipata (50 mW) e senza deteriorare la linearita’.

Tre differenti “tipi” (Zin e Imax) di ibrido variando tre componenti ma IDENTICO CIRCUITO

With CD = 330 pF, and 16 nsec50 Ω line

<tpeak>= 47.2 ns, rms = 0.3 ns

ENI= 49.3 nA, rms = 0.53 nA

Output swing = 1 V

Gruppo di LavoroAlberto Pullia* (50%),Mauro Citterio (40%),Stefano Riboldi (30%), Valentina Conti (50%) (Dottoranda).

* Responsabile

TOTALE FTE: 1.7

.... Speriamo che altre persone vogliano unirsi a questo progetto!

Supporto tecnico richiesto al Servizio di Elettronica: ~ 6 mesi uomo

Il progettoObbiettivi:

1 anno:Valutazione di alcune tecnologie SiGe disponibili

- caratterizzazione elettrica (statica e dinamica) di dispositivi “semplici”- progettazione di celle analogiche elementari- fabbricazione di un prototipo con le strutture progettate

- se permesso dalla disponibilita’ dei dispositivi/celle e dai risultati di caratterizzazione ottenuti test di irraggiamento dei prototipi con radiazione ionizzante e particelle cariche (SJ)

2 anno:

Realizzazione di un preamplificatore a SiGe per rivelatori a semiconduttore con una tecnica di “fast-reset” usata come “dynamic-range booster” e in grado di operare in Argo/Azoto liquido

3 anno:

Realizzazione di un stadio completo di front-end ad ampia banda (preamplificatore, formatore “programmabile” e T&H) per rivelatori a ionizzazione con elevato rate di segnali e resistente alle radiazioni.

Budget 1 anno…. Le stime sono ancora suscettibili di aggiustamenti …..

PREVENTIVO (in K€)

Richiesta SJ Richieste SJRiunioni di coordinamento 2.00

Misure di irraggiamnento con gamma/X (Pavia/Casaccia/Legnaro) 2.00Partecipazione a conferenza internazionale 4.00

Misure irraggiamento con protoni Uppsala/PSI/Lovanio 6.00consumo Materiale consumo laboratorio 2.00

Circuiti stampati e montaggi vari per test prototipi 5.00Sottomissione strutture di test (4 mm2 con 0.35 micron SiGe AMS, mini@sic Europractice) 3.50Sottomissione strutture di test (3 mm2 con 0.25 micron SiGe IHPS, mini@sic Europractice) 6.00

Acquisto tempo fascio gamma/X o protoni 12.00seminaritrasportipubblicazionicalcolomanutenzioneinventariolicenze-swapparati

Totale 22.50 20.00

interno

2.00

Capitolo Descrizione Parziali Totale

estero

4.00 6.00

2.00

16.50 12.00

Budget anni seguentiII anno:

I costi saranno principalmente quelli necessari alla realizzazione di un preamplificatore completo.

In base alla tecnolgia scelta e’ ipotizzabile un badget ~ 20-30 Keuro.

III anno:

Prematuro nel dettaglio: presumibilmente, simile o leggermente superiore a quello del II anno per quanto riguarda la realizzazione del “canale di front-end”

Inoltre per validare il canale finale in termini di resistenza alle radiazioni e’ ragionevole assumere dei test con fascio (test simili a quelli svolti sulle strutture prototipo nel primo anno).