Στους γονείς µου Θεόδωρο και Σταµατία - 2 -

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ( ΡΑ ΙΟΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ) ΜΠΙΖΙΩΤΑ Θ. ΝΙΚΗ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Σχεδίαση ολοκληρωµένου συστήµατος ανάγνωσης για ανιχνευτή ακτινοβολίας Χ, τεχνολογίας SiGe Επιβλέπων: ΣΤΥΛΙΑΝΟΣ ΣΙΣΚΟΣ, Αναπληρωτής Καθηγητής Θεσσαλονίκη, Οκτώβριος 2008

2 Στους γονείς µου Θεόδωρο και Σταµατία - 2 -

3 Αντί προλόγου Ολοκληρώνοντας αυτήν την διπλωµατική εργασία αισθάνοµαι την ανάγκη να ευχαριστήσω όσους µε βοήθησαν και µε καθοδήγησαν στην εκπόνηση της εργασίας. Θέλω να ευχαριστήσω µέσα από την καρδιά µου τον επιβλέποντα µου, Στυλιανό Σίσκο, διδάσκοντα του Μεταπτυχιακού Ηλεκτρονικής Φυσικής (Ραδιοηλεκτρολογίας) του Τµήµατος Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης, για την ανάθεση της εργασίας και την συνεχή του επίβλεψη, καθώς και τον υποψήφιο διδάκτορα Θωµά Νούλη για τις πολύτιµες συµβουλές και οδηγίες του σε όλη την διάρκεια της εκπόνησης της. Μα πάνω απ όλα να ευχαριστήσω όλους όσους έκαναν υποµονή και µου έδωσαν το κουράγιο να συνεχίσω

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός της διπλωµατικής, αυτής εργασίας ήταν η σχεδίαση ενός συστήµατος χαµηλού θορύβου τεχνολογίας SiGe, κατάλληλο για ανιχνευτές ακτινοβολίας Χ. Η εργασία αυτή χωρίζεται σε οκτώ κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται µια περιγραφή της τεχνολογίας που χρησιµοποιήθηκε που είναι η SiGe της AMS 0.35um, καθώς και µια σύγκριση αυτής µε τη CMOS τεχνολογία. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται τα διπολικά τρανζίστορ ετεροεπαφής υψηλής ταχύτητας και υψηλής τάσης και µελετώνται οι χαρακτηριστικές τάσης-ρεύµατος αυτών. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το σύστηµα µέτρησης της ενέργειας των ακτίνων Χ, το οποίο αποτελείται από τον αισθητήρα, τον προενισχυτή και το shaper, ενώ στο τέταρτο κεφάλαιο µελετάται αναλυτικά το κύκλωµα του προενισχυτή ως προς την υλοποίηση και τη σχεδίαση του. Το πέµπτο κεφάλαιο ασχολείται µε το κύκλωµα του shaper καθώς και τη µελέτη του συνολικού κυκλώµατος. Τέλος αναφέρουµε κάποια συµπεράσµατα που προέκυψαν από την παραπάνω µελέτη, τη βιβλιογραφία που χρησιµοποιήθηκε και τους κώδικες µε την βοήθεια των οποίων προσοµοιώσαµε τα ανίστοιχα κυκλώµατα στο Hspice

5 ABSTRACT The scope of this essay was to design a low noise system for measuring Χ-ray radiation with SiGe technology. This essay is organized into eight chapters. In the first chapter, the AMS SiGe 0.35um technology has been used, and a comparison with the CMOS technology is discussed. In the second chapter a review of the most interesting heterojunction bipolar transistor of high voltage and high speed is presented as well as their i-v characteristic curves. In the third chapter X-ray detection system is analytically described, which is constituted from a sensor, a preamplifier and a shaper. In the fourth chapter the circuit of a preamplifier is studied at great length, as for its concretisation and its designing. The fifth chapter deals with the circuit of a shaper and as well as the study of the total circuit. Finally we report certain conclusions that resulted from the above study, the bibliography that was used and the codes with the help of which all of our circuits was simulated with Hspice

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφ. 1 : HBT SiGe ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Σελ Ιστορική αναδροµή Σελ Λειτουργία ενός ΗΒΤ SiGe Σελ Λειτουργία ενός MOSFET Σελ HBT SiGe σε σύγκριση µε CMOS Σελ Ικανότητα ολοκλήρωσης BiCMOS SiGe Σελ Πρόοδος και εξέλιξη της SiGe Σελ.13 Κεφ. 2 : Υψηλής ταχύτητας και υψηλής τάσης διπολικά τρανζίστορ ετεροεπαφής (ΗΒΤ), SiGe τεχνολογίας ΑΜS 0.35um Σελ Πλεονεκτήµατα SiGe HBT σε σύγκριση µε Si BJT Σελ Χαρακτηριστική εξόδου Σελ HBT Υψηλής Ταχύτητας Σελ HBT Υψηλής Τάσης Σελ.28 Κεφ. 3 : Περιγραφή του συστήµατος µέτρησης ενέργειας ακτινοβολίας Σελ Περιγραφή του συνολικού κυκλώµατος-διάταξης Σελ Περιγραφή του αισθητήρα Σελ Περιγραφή του προενισχυτή Σελ Περιγραφή του shaper Σελ Προδιαγραφές σχεδίασης Σελ.52 Κεφ. 4 : Το κύκλωµα του προενισχυτή Σελ Σχεδίαση του προενισχυτή Σελ Folded cascode ενισχυτής Σελ Υλοποίηση του κυκλώµατος του προενισχυτή Σελ.58 Κεφ. 5 : Το κύκλωµα του shaper-διαµορφωτή Σελ

7 5.1 Σχεδίαση του shaper-διαµορφοποιητή Σελ CR-RC Φίλτρο Σελ Υλοποίηση του κυκλώµατος του µορφοποιητή Σελ Υλοποίηση του συνολικού κυκλώµατος Σελ.75 Κεφ. 6 : ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Κεφ. 7 : ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Κεφ. 8 : ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Σελ.84 Σελ.85 Σελ

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 HBT SiGe ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ 1.1 Ιστορική αναδροµή Η ιδέα της ένωσης του πυριτίου (Si) µε το γερµάνιο (Ge) για τη δηµιουργία ενός κράµατος και τη χρήση αυτού σε κυκλώµατα, είναι αρκετά παλιά, την οποία πιθανότατα ο Shockley οραµατίστηκε πρώτος. Η SiGe BiCMOS τεχνολογία οφείλει όµως την εµφάνιση της στον Herbert Kroemer, ο οποίος και ξεκίνησε τη θεωρητική µελέτη του διπολικού τρανζίστορ ετεροεπαφής (HBT) το Ωστόσο, εξαιτίας των δυσκολιών δηµιουργίας ενός κράµατος SiGe κατάλληλου για το Si, η ιδέα αυτή έγινε πραγµατικότητα τα τελευταία 18 χρόνια [1]. Συγκεκριµένα, το πρώτο HBT SiGe παρουσιάστηκε το εκέµβριο του `87, αλλά η SiGe τεχνολογία έκανε αισθητή την παρουσία της το εκέµβριο του `90 όταν κατασκευάστηκε το πρώτο HBT SiGe, ενώ η SiGe ΒiCMOS τεχνολογία αναφέρθηκε το εκέµβριο του `92. Για πρώτη φορά το εκέµβριο του `93, προτάθηκε HBT SiGe µε απόκριση συχνότητας µεγαλύτερη από 100 GHz, ενώ το 2001 αυτό µε συχνότητα αποκοπής µεγαλύτερη από 200 GHz [2,3]. Το HBT SiGe µε συχνότητα αποκοπής µεγαλύτερη από 300 GHz είναι πλέον ρεαλιστικός στόχος, καθιστώντας την τεχνολογία αυτή περισσότερο ανταγωνιστική από ποτέ. Κλείνοντας, στις αρχές της δεκαετίας του `90 η IBM χρησιµοποίησε τη SiGe τεχνολογία στη ραγδαίως αναπτυσσόµενη αγορά των τηλεπικοινωνιών. Συγκεκριµένα, σε RF κυκλώµατα καταναλώνει πολύ λιγότερη ισχύ από την αντίστοιχη CMOS, µε σκοπό πάντα την επίτευξη της ίδιας απόδοσης. Οι εφαρµογές όπου χρησιµοποιείται ποικίλλουν σε ενσύρµατες και ασύρµατες, σε αποθηκευτικές µονάδες και σε κυκλώµατα υψηλής ταχύτητας και µεγάλου εύρους ζώνης

9 1.2 Λειτουργία ενός ΗΒΤ SiGe Το τρανζίστορ HBT SiGe έχει όµοια τεχνολογικά χαρακτηριστικά µε το συµβατικό διπολικό τρανζίστορ Si, εκτός από τη βάση. Το υλικό SiGe, το οποίο έχει στενότερο ενεργειακό εύρος ζώνης (bandgap), χρησιµοποιείται για την κατασκευή της βάσης. Το Γερµάνιο (Ge) διαβαθµίζεται εγκαρσίως κατά µήκος της βάσης για τη δηµιουργία ενός ηλεκτρικού πεδίου κατάλληλου για την επιτάχυνση των φορέων µειονότητας κατά την κίνησή τους διαµέσου της βάσης, ενώ η τιµή του κυµαίνεται από KV To σχήµα 1-1 απεικονίζει τη διαβάθµιση αυτή. cm Σχήµα 1-1: Η διαβάθµιση µε Ge της βάσης κατά πλάτος ενός διπολικού τρανζίστορ µε 30nm πλάτος βάσης, έχει ως αποτέλεσµα τη δηµιουργία ενός µεγάλου δυναµικού, το οποίο µειώνει δραστικά τους χρόνους µετάβασης βάσης των ηλεκτρονίων

10 Άµεσο αποτέλεσµα αυτής της διαβάθµισης, αποτελεί η υψηλή ταχύτητα και η υψηλή συχνότητα λειτουργίας. Το κέρδος του HBT αυξάνεται επίσης σε σχέση µε αυτό ενός Si BJT, το οποίο µπορεί να αντισταθµιστεί µε την επίτευξη µικρότερης βάσης και εποµένως, τη µείωση του θορύβου. Για το ίδιο ρεύµα λειτουργίας, ένα HBT SiGe έχει 1 χαµηλότερο θόρυβο από ένα ταυτόσηµα κατασκευασµένο BJT Si. Η υψηλότερη f ταχύτητα µπορεί να αποτελέσει αντικείµενο διαπραγµάτευσης και για χαµηλότερη κατανάλωση ισχύος. Σχήµα 1-2: Toµή ενός HBT SiGe 1.3 Λειτουργία ενός MOSFET Το MOSFET, όταν λειτουργεί στην περιοχή υποκατωφλίου, διακρίνεται από το γεγονός ότι το κανάλι είναι «ελαφρώς ανεστραµµένο», η ροή του ρεύµατος είναι απόρροια µιας διαδικασίας διάχυσης και το ρεύµα του απαγωγού I D διατηρείται σε χαµηλές τιµές, περίπου ίσο µε το ρεύµα διαρροής, κατά τη λειτουργία του τρανζίστορ

11 στην περιοχή της αποκοπής. Το τρανζίστορ επιτυγχάνει τη λειτουργία του στην περιοχή υποκατωφλίου όταν I D I O W και VGS Vth και χαρακτηρίζεται από την 10 L εκθετική σχέση του ρεύµατος απαγωγού και της τάσης µεταξύ πύλης και πηγής. Το τρανζίστορ σε αυτή την περιοχή λειτουργίας, είναι αρκετά αργό εξαιτίας των µικρών πυκνοτήτων ρεύµατος που το διαρρέουν, ενώ η κατανάλωση ισχύος του διατηρείται σε χαµηλά επίπεδα. Για να αυξηθεί το επίπεδο του ρεύµατος σε αυτή την περιοχή λειτουργίας, θα πρέπει να µεγαλώσει το εύρος του τρανζίστορ, µε αποτέλεσµα την ανάλογη αύξηση των παρασιτικών χωρητικοτήτων πύλης-πηγής, ενώ ο παράγοντας g m, που καθορίζει την ταχύτητα, διατηρείται στο ίδιο επίπεδο. Μειώνοντας το µήκος C L του τρανζίστορ και διατηρώντας το πλάτος W και το ρεύµα I D σταθερά, µειώνεται αναλογικά η παρασιτική χωρητικότητα της πύλης g m 1 αυξάνεται κατά 2 C L C G. Επίσης η συχνότητα. Εποµένως, συνάγεται το συµπέρασµα πως περισσότερο εξεζητηµένες τεχνολογίες µε µικρότερο µήκος καναλιού, θα δίνουν τη δυνατότητα της σχεδίασης κυκλωµάτων υψηλότερης ταχύτητας, που χρησιµοποιούν MOSFET, τα οποία λειτουργούν στην περιοχή υποκατωφλίου. 1.4 HBT SiGe σε σύγκριση µε CMOS Από τη στιγµή που οι CMOS διατάξεις παρουσιάζουν για τις συχνότητες αποκοπής f c και τις µέγιστες συχνότητες λειτουργίας f max τιµές άνω των 140GHz, µια κρίσιµη ερώτηση που θα µπορούσε να κάνει κάποιος είναι : «Γιατί να µην µπορούµε να αντικαταστήσουµε τις συσκευές SiGe από τις CMOS ;» Οι CMOS διατάξεις προσφέρουν τη δυνατότητα λειτουργίας σε υψηλές f c και γραµµικότητα και κατωφλίου f max, χαµηλότερη τροφοδοσία, εξαιτίας της χαµηλότερης τάσης Vthσε σχέση µε τη διπολική τάση V be. Οι διατάξεις ΗΒΤ σε αντιδιαστολή, παρέχουν εξαιρετική απόδοση όσον αφορά στο θόρυβο και υψηλή διαγωγιµότητα. Οι διαφοροποιήσεις της πυκνότητας ολοκλήρωσης, όσον αφορά στο

12 πεδίο των εφαρµογών, είναι επίσης ένα ζήτηµα πρακτικού ενδιαφέροντος. Για την κατασκευή χαµηλού θορύβου RF ενισχυτών, τα κυκλώµατα HBT SiGe καταλαµβάνουν το ένα τέταρτο ή το ένα τρίτο του χώρου της επιφάνειας των CMOS κυκλωµάτων ισοδύναµης λειτουργικότητας. Για την περίπτωση της κατασκευής cash memories σε έναν µικροεπεξεργαστή, τα CMOS κυκλώµατα καταλαµβάνουν το ένα τέταρτο έως το ένα τρίτο της αντίστοιχης επιφάνειας των BJT SiGe κυκλωµάτων ισοδύναµης λειτουργικότητας. Ο χαµηλός θόρυβος είναι ίσως ένα από τα σηµαντικότερα πλεονεκτήµατα των HBT SiGe σε σχέση µε τα CMOS όσον αφορά στη σχεδίαση. Ο f 1 θόρυβος λόγω της παγίδευσης και απελευθέρωσης των φορέων στις διεπαφές και ο θερµικός θόρυβος που οφείλεται στις αντιστάσεις καναλιού και πύλης, είναι και οι δυο σηµαντικά υψηλότεροι στα CMOS σε σχέση µε τα HBTs SiGe. Για τη µείωση του θορύβου, συχνά είναι απαραίτητες πολύ µεγάλες διατάξεις CMOS και υψηλό ρεύµα λειτουργίας. Μια εποπτικότερη σύγκριση των παραπάνω δίνεται στον πίνακα που ακολουθεί : Πίνακας 1-1 : Σύγκριση των CMOS µε συµβατικά BJTs και µε ΗΒΤs SiGe Παράµετρος CMOS Si BJT SiGe HBT fc Υψηλή Υψηλή Υψηλή fmax Υψηλή Υψηλή Υψηλή Γραµµικότητα Πολύ Καλή Καλή Καλύτερη Τάση Vbe ή Vth Κακή Καλή Καλή 1 / f θόρυβος Κακή Καλή Καλή υναµικό Early Κακή Καλή Καλή ιαγωγιµότητα Κακή Καλή Καλή 1.5 Ικανότητα ολοκλήρωσης BiCMOS SiGe Η δυναµικότητα της τεχνολογίας SiGe έγκειται στην ικανότητά της να ολοκληρώνει αναλογικά, RF και ψηφιακά κυκλώµατα σε ένα ενιαίο ολοληρωµένο κύκλωµα. Αυτό δεν µπορεί να γίνει µε οποιεσδήποτε άλλες τεχνολογίες (π.χ. GaAs), ενώ παράλληλα καθιστά πιθανή την εφαρµογή και νέων αρχιτεκτονικών. Η ολοκλήρωση HBT SiGe µε CMOS είναι περισσότερο πολύπλοκη από µια διαδικασία προσθήκης ενός επιταξιακού στρώµατος SiGe χαµηλής θερµοκρασίας (LTE). Η απόδοση της CMOS πρέπει να διατηρηθεί και µετά από την προσθήκη HBT

13 SiGe, προκειµένου να χρησιµοποιηθούν οι υπάρχουσες ψηφιακές βιβλιοθήκες ASIC και οι µεθοδολογίες σχεδιασµού. Οµοίως, τα στάδια επεξεργασίας CMOS δεν πρέπει να αλλάξουν σηµαντικά τις διαδικασίες εισαγωγής προσµίξεων (και ως εκ τούτου και την απόδοση) του HBT SiGe. Πρωτεύον ζήτηµα της BiCMOS ολοκλήρωσης είναι η διατήρηση της δοµικότητας των επιµέρους στοιχείων. Στην περίπτωση των αναλογικών αποκωδικοποιητών, η χρήση της CMOS τεχνολογίας οδηγεί σε ολοκληρωµένα χαµηλής κατανάλωσης ισχύος, αλλά χαµηλής ταχύτητας, ενώ η χρήση της HBT SiGe ΒiCMOS οδηγεί σε κυκλώµατα υψηλής ταχύτητας µε την κατανάλωση να διατηρείται σε χαµηλά επίπεδα. 1.6 Πρόοδος και εξέλιξη της SiGe Μέχρι και το Σεπτέµβριο του 2002, τα ταχύτερα HBTs SiGe είχαν συχνότητα αποκοπής µεγαλύτερη από 210 GHz και µέγιστη συχνότητα ταλάντωσης µεγαλύτερη από 285 GΗz. Οι ψηφιακές πύλες ECL που κατασκευάζονται µε αυτά τα HBTs παρουσιάζουν καθυστέρηση πύλης µόλις 4.3 psec, µε τιµή ηλεκτρικού ρεύµατος 1mA. Κάτι τέτοιο είναι αρκετά αξιοπρόσεκτο, και όπως αναφέρει και ο ρ. Bernard Meyerson, «Ακριβώς όπως και τα αεροσκάφη θεωρήθηκαν κάποτε ανίκανα να ξεπεράσουν ένα φανταστικό ηχητικό εµπόδιο, έτσι και τα τρανζίστορ Si θεωρήθηκαν ανίκανα να ξεπεράσουν ένα εµπόδιο ταχύτητας των 200GHz (τώρα είµαστε αρκετά παραπάνω από τα 200 GΗz µε τα τρανζίστορ SiGe!).» Αναµφισβήτητα, η τεχνολογία SiGe BiCMOS είναι η ταχύτερα αναπτυσσόµενη διαδικασία ηµιαγωγικών διατάξεων, και είναι σίγουρο ότι θα συνεχίσει αναπτύσσεται ραγδαία. Στο µέλλον, θα παράγονται γρηγορότερα HBTs µέσω της βελτιστοποίησης της δοµής των διατάξεων αυτών, παρέχοντας υψηλότερο εύρος ζώνης στα τηλεπικοινωνιακά συστήµατα. Η εµπειρία που αποκτήθηκε από το παρελθόν θα επιταχύνει την ανάπτυξη των τεχνολογιών SiGe της επόµενης γενιάς για υψηλότερη ταχύτητα και επίπεδο ολοκλήρωσης. Η ωριµότητα και η διαµόρφωση

14 της επεξεργασίας µπορούν τελικά να επιτρέψουν την προσφορά πολλαπλών HBTs που να βελτιστοποιούνται σε ενσύρµατες - ασύρµατες επικοινωνίες και σε εφαρµογές αποθήκευσης, µε µια διαδικασία κατασκευής HBT που θα παρέχει την καλύτερη απόδοση για όλες τις εφαρµογές [4]

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Υψηλής ταχύτητας και υψηλής τάσης διπολικά τρανζίστορ ετεροεπαφής (ΗΒΤ) SiGe τεχνολογίας ΑΜS 0.35um Στο κεφάλαιο αυτό θα µελετήσουµε καθένα από τα διπολικά τρανζίστορ ετεροεπαφής υψηλής τάσης και υψηλής ταχύτητας της τεχνολογίας SiGe AMS 0.35um. Συγκεκριµένα θα ασχοληθούµε µε τις χαρακτηριστικές τάσης ρεύµατος, το δυναµικό Εarly, το κέρδος ρεύµατος, τη συχνότητα αποκοπής, τη µέγιστη συχνότητα ταλάντωσης και την περιοχή quasi-saturation. Έπειτα, θα µελετήσουµε τη συνεισφορά στο θόρυβο και θα κάνουµε µια σύγκριση των ενεργών τιµών θορύβου στα HBTs, για να διαπιστώσουµε ποιο τρανζίστορ και σε ποιο βαθµό παρουσιάζει λιγότερο θόρυβο. 2.1 Πλεονεκτήµατα SiGe HBT σε σύγκριση µε Si BJT Τα πλεονεκτήµατα που παρουσιάζει ένα SiGe HBT σε σχέση µε ένα µε Si BJT συνοψίζονται ως εξής : α) Για δεδοµένη πυκνότητα ρεύµατος συλλέκτη, η τάση που πρέπει να εφαρµοστεί στην επαφή βάσης εκποµπού για να αρχίσει το τρανζίστορ να άγει, είναι µικρότερη από την αντίστοιχη της τεχνολογίας πυριτίου. Αυτό συµβαίνει γιατί, λόγω της ετεροεπαφής η πυκνότητα του ρεύµατος συλλέκτη αυξάνεται εκθετικά µε τη διαφορά στο ενεργειακό χάσµα µεταξύ συλλέκτη και βάσης, η οποία είναι ανάλογη της συγκέντρωσης γερµανίου στη βάση. Το γεγονός αυτό έχει ιδιαίτερη σηµασία όταν απαιτούνται χαµηλές τροφοδοσίες, κάτι που συµβαίνει σε όλα τα συστήµατα επικοινωνίας. β) To στρώµα του εκποµπού παρουσιάζει συγκέντρωση προσµίξεων χαµηλότερη από εκείνη της βάσης. Το γεγονός αυτό µειώνει δραστικά την τιµή της χωρητικότητας επαφής-βάσης, άρα και το χρόνο διέλευσης των φορέων, γεγονός που οδηγεί σε

16 υψηλή ταχύτητα λειτουργίας ( τιµές συχνότητας αποκοπής f t πολύ υψηλότερες από εκείνες των BJT Si) και κέρδος σε χαµηλότερες τιµές ρεύµατος, στοιχεία ευνοούν σηµαντικά τα κυκλώµατα κατανάλωσης χαµηλής ισχύος. Γενικά στα διπολικά τρανζίστορ η f t δίνεται από τη σχέση που όπου g m : η διαγωγιµότητα f t = 1 1 g m ( Ceb + Ccb) + τ b + τ e + τ c (2.1) Cebκαι C cb αντίστοιχα : οι χωρητικότητες των επαφών εκποµπού βάσης και συλλέκτη βάσης τ b, τ eκαιτ c : οι χρόνοι µεταφοράς των φορέων µέσω της βάσης, του εκποµπού και του συλλέκτη αντίστοιχα. Μερικοί από τους λόγους που προκαλούν την αύξηση της f t είναι : 1. Η υψηλή συγκέντρωση προσµίξεων στη βάση µειώνει την αντίσταση της βάσης και άρα µειώνει και το τ b, γεγονός που αυξάνει την f t. 2. Η χαµηλή συγκέντρωση προσµίξεων στον εκποµπό σε σύγκριση µε αυτήν της βάσης ( N E N B ) µειώνει τη χωρητικότητα της περιοχής απογύµνωσης που εκτείνεται µέσα στη βάση, γιατί είναι γνωστό ότι η χωρητικότητα µιας ασύµµετρα ντοπαρισµένης επαφής εξαρτάται µόνο από το doping της ελαφρά ντοπαρισµένης πλευράς γεγονός που µεταφράζεται σε αύξηση της f t. Η N E, όµως δεν πρέπει να µειωθεί πολύ ώστε να µην αυξηθεί σηµαντικά η αντίσταση του εκποµπού. 3. Το γεγονός της γραµµικής αύξησης του ποσοστού προσµίξεων Ge στη βάση αυξάνει την ταχύτητα ολίσθησης των ηλεκτρονίων λόγω της αύξησης του ηλεκτρικού πεδίου και µειώνει την τιµή του τ b καθώς οι φορείς επιταχύνονται πολύ πιο γρήγορα κατά µήκος της βάσης. γ) Έχει βρεθεί πειραµατικά ότι, η συχνοτική απόκριση του SiGe HBT είναι σηµαντικά υψηλότερη του αντίστοιχου Si BJT για µεγάλη περιοχή τιµών πόλωσης λειτουργίας. Συνεπώς ένα HBT µπορεί να λειτουργήσει σε περιοχή συχνοτήτων χαµηλότερα από τη µέγιστη f t, µε σκοπό την εξοικονόµηση ενέργειας

17 δ) Η συχνότητα µοναδιαίου κέρδους ισχύος ( unity power gain frequency ) ή f max εξαρτάται εκτός από την απόδοση της διάταξης µέσω της στοιχεία της διάταξης, όπως φαίνεται και από την ακόλουθη σχέση f t και από τα παρασιτικά f f t max = (2.2) 8πC cbrbb όπου C cb : η χωρητικότητα επαφής συλλέκτη-βάσης r bb : η αντίσταση της βάσης. ε) Η υψηλή συγκέντρωση προσµίξεων στη βάση, καθιστά τη µεταβολή του εύρους της λιγότερο ευαίσθητη, µε την τάση V bc. Aυτό σηµαίνει ότι η τιµή της τάσης Εarly είναι πολύ υψηλότερη από την αντίστοιχη των διπολικών πυριτίου, γεγονός που επιτρέπει την υψηλότερη εµπέδηση εξόδου ενισχυτικών σταδίων, και την πραγµατοποίηση σταθερότερων πηγών ρεύµατος. V A, SiGe V A, Si = e Ε g, Ge( grade ) kt Ε g, 1 e Ε g, Ge( kt Ge( grade ) kt grade) (2.3) µε Ε g, Ge( grade) = Ε g, Ge( x= w ) Ε b g, Ge( x= 0) (2.4) όπου V A, SiGe και A Si k :1.38 x10-23 V, : η τάση Early για τα SiGe HBTs και Si BJTs αντίστοιχα J K η σταθερά του Boltzmann T : η απόλυτη θερµοκρασία σε o Κ Ε g,ge : το εύρος της απαγορευµένης ζώνης µε το Ge να διαβαθµίζεται κατά µήκος της βάσης

18 Καθώς λοιπόν το ποσοστό του Ge στο SiGe της βάσης αυξάνεται προς την πλευρά του συλλέκτη, η διαφορά στις συγκεντρώσεις προσµίξεων είναι µεγαλύτερη στην επαφή CB, µε αποτέλεσµα η περιοχή απογύµνωσης να εκτείνεται περισσότερο µέσα στη βάση παρά στο συλλέκτη. Το γεγονός αυτό αυξάνει την αντίσταση εξόδου για δεδοµένη πόλωση, σε σύγκριση µε ένα BJT Si αντίστοιχης δοµής, εποµένως και την τιµή της τάσης Early (π.χ. για HBT VA = 53 V, για BJT VA = 18 V) στ) Αύξηση του κέρδους ρεύµατος ενός SiGe HBT σε σχέση µε αντίστοιχη δοµή BJT, σύµφωνα µε τη σχέση (2.5) µία ακριβώς J C, SiGe j C, Si β SiGe = = γ η β Si kte 1 e Ε g, Ge( grade) Ε g, Ge (0) kt Εg, Ge ( grade) kt (2.5) µε Ν C NV ( SiGe) γ = (2.6) N N ( Si) C V όπου J C, SiGe αντίστοιχα β SiGeκαι N C και και J C, Si : η πυκνότητα ρεύµατος του συλλέκτη για τα SiGe HBTs και Si BJTs β Si : το κέρδος ρεύµατος για τα SiGe HBTs και Si BJTs αντίστοιχα N V : η ενεργός πυκνότητα των ενεργειακών σταθµών στις ζώνες γωγιµότητας και σθένους αντίστοιχα Από την παραπάνω σχέση φαίνεται το ακόλουθο πλεονέκτηµα από τη χρήση του HBT, καθώς αν µία εφαρµογή απαιτεί µεγάλη τιµή τουβ, η συγκέντρωση προσµίξεων στη βάση µπορεί να γίνει υψηλότερη χωρίς να πέσει η τιµή του κέρδους, αφού το β µπορεί να αυξηθεί εκθετικά αν αυξήσουµε το Ε ( ) g, Ge grade ζ) Ένα µειονέκτηµα της δοµής αυτής αποτελεί η χαµηλή τιµή κατάρρευσης της επαφής συλλέκτη-εκποµπού, πρόβληµα όµως που αντιµετωπίζεται άµεσα. Μετά την παρουσίαση των γενικότερων πλεονεκτηµάτων ενός διπολικού τρανζίστορ διπλής ετεροεπαφής Si-SiGe-Si, θα µελετήσουµε τη χαρακτηριστική εξόδου ενός από

19 τα τρανζίστορ ετεροεπαφής, συγκεκριµένα του npn 121, καθώς και όλων των υπόλοιπων τρανζίστορ της τεχνολογίας ΑΜS SiGe 0.35um, τα αποτελέσµατα των οποίων θα παραθέσουµε στη συνέχεια [5] Χαρακτηριστική εξόδου Στη συνέχεια για τον χαρακτηρισµό του HBT προσδιορίζεται η χαρακτηριστική εξόδου του σε συνδεσµολογία κοινού εκποµπού. Το κύκλωµα που σχεδιάσαµε περιλάµβανε µία DC πηγή συνδεδεµένη στον ακροδέκτη του συλλέκτη ( V C = 3.3V ) µέσω µιας αντίστασης ( R C = 1KΩ) και µια πηγή τάσης ( V b = 1V ) στον ακροδέκτη της βάσης ικανή να πολώσει το τρανζίστορ, από όπου πήραµε την ac απόκριση του στο σχήµα 2-2 και τη χαρακτηριστική ρεύµατος-τάσης όπως φαίνεται στο σχήµα 2-3 Σχήµα 2-1 : Κύκλωµα για τη λήψη χαρακτηριστικής ρεύµατος-τάσης στο Hspice Σχήµα 2-2: Συχνοτική απόκριση του διπολικού τρανζίστορ ετεροεπαφής npn

20 Σχήµα 2-3: Χαρακτηριστικές εξόδου Ic-Vce µε παράµετρο το ρεύµα Ιb που εφαρµόζεται στην είσοδο (βάση) του HBT. Η τιµή της V ce για την οποία το τρανζίστορ εισέρχεται στην περιοχή κόρου, αυξάνεται απότοµα καθώς το ρεύµα που εισέρχεται στη βάση είναι µεγαλύτερο. Στον ακόλουθο πίνακα παρουσιάζονται οι αντίστοιχες τιµές των I b, I cκαι β forward. Πίνακας 2-1 : Kέρδος ρεύµατος και ρεύµα βάσης και συλλέκτη στο ΗΒΤ npn121 Ib (µa) Ic (ma) βforward Παρατηρούµε τη µείωση του β forward µε την αύξηση του I c, κάτι που οφείλεται στην ύπαρξη πλεοναζόντων ηλεκτρονίων (συνθήκες υψηλής έγχυσης) τα οποία δεν µπορούν να διαχυθούν στην περιοχή του συλλέκτη και επανασυνδέονται µε οπές, µε αποτέλεσµα την ελάττωση του κέρδους ρεύµατος um CMOS Design Rules AustriaMicroSystem Company Confidential

21 2.2 HBT Υψηλής Ταχύτητας Σχήµα 2-4 :Τοµή και κάτοψη του διπολικού τρανζίστορ ετεροεπαφής npn Το τρανζίστορ αυτό, είναι ένα διπολικό npn τρανζίστορ ετεροεπαφής µε µια επαφή συλλέκτη, βάσης και εκποµπού όπως φαίνεται και στο σχήµα, από όπου πήρε και το όνοµα του npn 111. Με τη βοήθεια του προγράµµατος Hspice, πήραµε τις ακόλουθες χαρακτηριστικές τάσης ρεύµατος ( I c -V ce ), σαρώνοντας την τάση συλλέκτηεκποµπού V ce από 0-12V µε βήµα 0.01 V και το ρεύµα βάσης I b από 20uΑ-100uΑ µε βήµα 20uΑ αντίστοιχα. (όµοια διαδικασία ακολουθήθηκε για όλα τρανζίστορ) Σχήµα 2-5 : Χαρακτηριστικές εξόδου Ic-Vce µε παράµετρο το ρεύµα Ιb που εφαρµόζεται στην είσοδο (βάση) του HBT npn

22 Σχήµα 2-6 :Τοµή και κάτοψη του διπολικού τρανζίστορ ετεροεπαφής npn Αυτό το τρανζίστορ, είναι ένα διπολικό npn τρανζίστορ ετεροεπαφής µε µια επαφή συλλέκτη, δυο επαφές βάσης και µια επαφή εκποµπού όπως φαίνεται και στο σχήµα, από όπου πήρε και το όνοµα του npn 121. Σχήµα 2-7 : Χαρακτηριστικές εξόδου Ic-Vce µε παράµετρο το ρεύµα Ιb που εφαρµόζεται στην είσοδο (βάση) του HBT npn

23 Σχήµα 2-8 :Τοµή και κάτοψη του διπολικού τρανζίστορ ετεροεπαφής npn Το παραπάνω τρανζίστορ, είναι ένα διπολικό npn τρανζίστορ ετεροεπαφής µε µια επαφή συλλέκτη, τρεις επαφές βάσης και δυο επαφές εκποµπού όπως φαίνεται και στο σχήµα, από όπου πήρε και το όνοµα του npn 132. Σχήµα 2-9 : Χαρακτηριστικές εξόδου Ic-Vce µε παράµετρο το ρεύµα Ιb που εφαρµόζεται στην είσοδο (βάση) του HBT npn

24 Σχήµα 2-10:Τοµή και κάτοψη του διπολικού τρανζίστορ ετεροεπαφής npn Αυτό το τρανζίστορ, είναι ένα διπολικό npn τρανζίστορ ετεροεπαφής µε µια επαφή συλλέκτη, τέσσερις επαφές βάσης και τρεις επαφές εκποµπού όπως φαίνεται και στο σχήµα, από όπου πήρε και το όνοµα του npn 143. Σχήµα 2-11 : Χαρακτηριστικές εξόδου Ic-Vce µε παράµετρο το ρεύµα Ιb που εφαρµόζεται στην είσοδο (βάση) του HBT npn

25 Σχήµα 2-12 : Τοµή και κάτοψη του διπολικού τρανζίστορ ετεροεπαφής npn Το τρανζίστορ αυτό, είναι ένα διπολικό npn τρανζίστορ ετεροεπαφής µε δυο επαφές συλλέκτη, τρεις επαφές βάσης και δυο επαφές εκποµπού όπως φαίνεται και στο σχήµα, από όπου πήρε και το όνοµα του npn 232. Σχήµα 2-13 : Χαρακτηριστικές εξόδου Ic-Vce µε παράµετρο το ρεύµα Ιb που εφαρµόζεται στην είσοδο (βάση) του HBT npn

26 Σχήµα 2-14 : Τοµή και κάτοψη του διπολικού τρανζίστορ ετεροεπαφής npn Αυτό το τρανζίστορ, είναι ένα διπολικό npn τρανζίστορ ετεροεπαφής µε δυο επαφές συλλέκτη, τέσσερις επαφές βάσης και τρεις επαφές εκποµπού όπως φαίνεται και στο σχήµα, από όπου πήρε και το όνοµα του npn 243. Σχήµα 2-15 : Χαρακτηριστικές εξόδου Ic-Vce µε παράµετρο το ρεύµα Ιb που εφαρµόζεται στην είσοδο (βάση) του HBT npn

27 Σχήµα 2-16:Τοµή και κάτοψη του διπολικού τρανζίστορ ετεροεπαφής npn Τέλος, σε αυτό το διπολικό npn τρανζίστορ ετεροεπαφής παρατηρούµε δυο επαφές συλλέκτη, πέντε επαφές βάσης και τέσσερις επαφές εκποµπού όπως φαίνεται και στο σχήµα, από όπου πήρε και το όνοµα του npn 254. Σχήµα 2-17:Χαρακτηριστικές εξόδου Ic-Vce µε παράµετρο το ρεύµα Ιb που εφαρµόζεται στην είσοδο (βάση) του HBT npn

28 2.3 HBT Υψηλής Τάσης Το τρανζίστορ αυτό, είναι ένα διπολικό npn τρανζίστορ ετεροεπαφής µε µια επαφή συλλέκτη, βάσης και εκποµπού όπως φαίνεται και στο σχήµα, µε τη µόνη διαφορά σε σχέση µε το αντίστοιχο npn111 το ότι έχει ακόµα µια διάχυση n τύπου (BNTUB2). Σχήµα 2-18:Τοµή και κάτοψη του διπολικού τρανζίστορ ετεροεπαφής npn 111h5. 1 Όπως και προηγουµένως, πήραµε τις χαρακτηριστικές τάσης ρεύµατος ( I c -V ce ), σαρώνοντας την τάση συλλέκτη-εκποµπού ρεύµα βάσης I bαπό 20uΑ-100uΑ µε βήµα 20uΑ αντίστοιχα. V ce από 0-30V µε βήµα 0.01 V και το Σχήµα 2-19:Χαρακτηριστικές εξόδου Ic-Vce µε παράµετρο το ρεύµα Ιb που εφαρµόζεται στην είσοδο (βάση) του HBT npn111h

29 Σχήµα 2-20:Τοµή και κάτοψη του διπολικού τρανζίστορ ετεροεπαφής npn 121h5. 1 Το τρανζίστορ αυτό, είναι ένα διπολικό npn τρανζίστορ ετεροεπαφής µε µια επαφή συλλέκτη, δυο επαφές βάσης και µια επαφή εκποµπού όπως φαίνεται και στο σχήµα, µε τη µόνη διαφορά σε σχέση µε το αντίστοιχο npn121 το ότι έχει ακόµα µια διάχυση n τύπου (BNTUB2). Σχήµα 2-21: Χαρακτηριστικές εξόδου Ic-Vce µε παράµετρο το ρεύµα Ιb που εφαρµόζεται στην είσοδο (βάση) του HBT npn121h

30 Σχήµα 2-22:Τοµή και κάτοψη του διπολικού τρανζίστορ ετεροεπαφής npn 132h5. 1 Το τρανζίστορ αυτό, είναι ένα διπολικό npn τρανζίστορ ετεροεπαφής µε µια επαφή συλλέκτη, τρεις επαφές βάσης και δυο επαφές εκποµπού όπως φαίνεται και στο σχήµα, µε τη µόνη διαφορά σε σχέση µε το αντίστοιχο npn132 το ότι έχει ακόµα µια διάχυση n τύπου (BNTUB2). Σχήµα 2-23 :Χαρακτηριστικές εξόδου Ic-Vce µε παράµετρο το ρεύµα Ιb που εφαρµόζεται στην είσοδο (βάση) του HBT npn132h

31 Σχήµα 2-24 :Τοµή και κάτοψη του διπολικού τρανζίστορ ετεροεπαφής npn 143h5. 1 Το τρανζίστορ αυτό, είναι ένα διπολικό npn τρανζίστορ ετεροεπαφής µε µια επαφή συλλέκτη, τρεις επαφές βάσης και δυο επαφές εκποµπού όπως φαίνεται και στο σχήµα, µε τη µόνη διαφορά σε σχέση µε το αντίστοιχο npn143 το ότι έχει ακόµα µια διάχυση n τύπου (BNTUB2). Σχήµα 2-25 Χαρακτηριστικές εξόδου Ic-Vce µε παράµετρο το ρεύµα Ιb που εφαρµόζεται στην είσοδο (βάση) του HBT npn143h

32 Σχήµα 2-26: Τοµή και κάτοψη του διπολικού τρανζίστορ ετεροεπαφής npn 232h5. 1 Το τρανζίστορ αυτό, είναι ένα διπολικό npn τρανζίστορ ετεροεπαφής µε µια επαφή συλλέκτη, τρεις επαφές βάσης και δυο επαφές εκποµπού όπως φαίνεται και στο σχήµα, µε τη µόνη διαφορά σε σχέση µε το αντίστοιχο npn232 το ότι έχει ακόµα µια διάχυση n τύπου (BNTUB2). Σχήµα 2-27 Χαρακτηριστικές εξόδου Ic-Vce µε παράµετρο το ρεύµα Ιb που εφαρµόζεται στην είσοδο (βάση) του HBT npn232h

33 Σχήµα 2-28: Τοµή και κάτοψη του διπολικού τρανζίστορ ετεροεπαφής npn 243h5. 1 Το τρανζίστορ αυτό, είναι ένα διπολικό npn τρανζίστορ ετεροεπαφής µε µια επαφή συλλέκτη, τρεις επαφές βάσης και δυο επαφές εκποµπού όπως φαίνεται και στο σχήµα, µε τη µόνη διαφορά σε σχέση µε το αντίστοιχο npn243 το ότι έχει ακόµα µια διάχυση n τύπου (BNTUB2). Σχήµα 2-29 : Χαρακτηριστικές εξόδου Ic-Vce µε παράµετρο το ρεύµα Ιb που εφαρµόζεται στην είσοδο (βάση) του HBT npn243h

34 Σχήµα 2-30: Τοµή και κάτοψη του διπολικού τρανζίστορ ετεροεπαφής npn 254h5. 1 Το τρανζίστορ αυτό, είναι ένα διπολικό npn τρανζίστορ ετεροεπαφής µε µια επαφή συλλέκτη, τρεις επαφές βάσης και δυο επαφές εκποµπού όπως φαίνεται και στο σχήµα, µε τη µόνη διαφορά σε σχέση µε το αντίστοιχο npn254 το ότι έχει ακόµα µια διάχυση n τύπου (BNTUB2). Σχήµα 2-31 : Χαρακτηριστικές εξόδου Ic-Vce µε παράµετρο το ρεύµα Ιb που εφαρµόζεται στην είσοδο (βάση) του HBT npn254h

35 Όπως φαίνεται και από τα παραπάνω σχήµατα, οι χαρακτηριστικές τάσης-ρεύµατος παρουσιάζουν τη µεταβολή του ρεύµατος συλλέκτη ως προς την τάση συλλέκτηεκποµπού για διάφορες τιµές του ρεύµατος βάσης. ιακρίνουµε την περιοχή αποκοπής, όπου το ρεύµα βάσης είναι µηδενικό και η τάση εκποµπού-συλλέκτη υψηλή, την ενεργό περιοχή όπου χαρακτηρίζεται από υψηλά ρεύµατα και τάσεις και την περιοχή κόρου που αντιστοιχεί σε ισχυρά ρεύµατα συλλέκτη και µικρή τάση µεταξύ συλλέκτη-εκποµπού. H τάση µεταξύ συλλέκτη και εκποµπού όταν το τρανζίστορ βρίσκεται στην περιοχή κόρου συµβολίζεται µε V ce(sat) Η τάση VCEOείναι η τάση διάσπασης συλλέκτη-εκποµπού όταν τα ρεύµατα της βάσης και του συλλέκτη είναι µηδέν. Η τάση αυτή αποτελεί το µέτρο της ικανότητας του τρανζίστορ να λειτουργεί σε υψηλές τάσεις. Σε µεγαλύτερα ρεύµατα βάσης, άρα και συλλέκτη, η τάση διάσπασης είναι µικρότερη της V CEO και συµβολίζεται µε V sus. Όταν η τάση συλλέκτη-εκποµπού υπερβεί την τάση διάσπασης, το ρεύµα του συλλέκτη αποκτά πολύ µεγάλες τιµές µε αποτέλεσµα τη µεγάλη κατανάλωση ισχύος και την πιθανή καταστροφή του στοιχείου [7]. Σχήµα 2-32 : Aναλυτική περιγραφή των περιοχών λειτουργίας στη χαρακτηριστική i c - V ce

36 Η απότοµη αύξηση του ρεύµατος συλλέκτη λόγω των υψηλών τάσεων συλλέκτηεκποµπού ονοµάζεται πρώτη διάσπαση, ενώ στο παραπάνω σχήµα φαίνεται και η δεύτερη διάσπαση η οποία πρέπει να αποφεύγεται καθώς µπορεί να προκαλέσει καταστροφή του στοιχείου από τοπική υπερθέρµανση. Μια ιδιάζουσα περιοχή η οποία πρέπει να περιγραφεί διεξοδικά είναι η περιοχή ηµικορεσµού, η οποία παρατηρείται όταν αρχίζει έγχυση φορέων στην περιοχή ολίσθησης από την επαφή συλλέκτη-βάσης. Κατά τη διάρκεια του ηµικορεσµού, µειώνεται η ταχύτητα της πτώσης της τάσης του συλλέκτη, εξαιτίας της ελάττωσης του β, ενώ ο βαθύς κορεσµός αρχίζει, όταν οι επιπλέον φορείς έχουν αποµακρυνθεί τελείως από την περιοχή µετατόπισης. Το φαινόµενο του ηµικορεσµού, πραγµατοποιείται σε υψηλά ρεύµατα εξαιτίας της αντίστασης συλλέκτη των διπολικών τρανζίστορ. Κατά την ορθή λειτουργία, η επαφή βάσης συλλέκτη είναι ανάστροφα πολωµένη. Όταν η πτώση τάσης στην αντίσταση του συλλέκτη είναι αρκετά µεγάλη, (γεγονός που παρατηρείται σε µεγάλα ρεύµατα συλλέκτη), η εσωτερική επαφή βάσης συλλέκτη B C πολώνεται ορθά, µε την εξωτερική επαφή BC να είναι πολωµένη ανάστροφα. Οπές εγχύονται τότε στην περιοχή του συλλέκτη, το ρεύµα στη βάση αυξάνεται, το κέρδος ρεύµατος µειώνεται, η χωρητικότητα συλλέκτη βάσης αυξάνεται και η συχνότητα λειτουργίας µειώνεται. Επειδή λοιπόν, µε την αύξηση του αριθµού των βάσεων και των εκποµπών, η αντίσταση του συλλέκτη µειώνεται, θα περιορίζεται και το φαινόµενο του ηµικορεσµού, κάτι το οποίο φαίνεται και από τις παραπάνω γραφικές παραστάσεις I c -V ce [7]. Στη συνέχεια θα ασχοληθούµε µε µια πολύ βασική έννοια, αυτή του θορύβου, ο οποίος µπορεί να οριστεί, ως κάποιο ανεπιθύµητο είδος ενέργειας που τείνει να αναµιχθεί µε το επιθυµητό σήµα, κατά τη διάρκεια λήψης και αναπαραγωγής αυτού, περιορίζοντας την αποδοτικότητα κάθε συστήµατος και υποβαθµίζοντας την ορθότητα και την ακρίβεια µιας µέτρησης [8]. Οι κυριότερες κατηγορίες στις οποίες χωρίζεται ο θόρυβος είναι [19] : O θερµικός θόρυβος, ο οποίος οφείλεται στην άτακτη θερµική ταλάντωση των φορέων φορτίου (ηλεκτρόνια ή οπές). Σύµφωνα µε την κινητική θεωρία στη θερµοδυναµική, η θερµοκρασία ενός σωµατιδίου είναι ένας τρόπος να εκφράσει την

37 εσωτερική κινητική ενέργεια του [9,11,15]. Εποµένως η ισχύς θορύβου που παράγεται (π.χ από µια αντίσταση), P 2 ( VΘΕΡΜ, rms ). = = k T f θα είναι ανάλογη της απόλυτης R ΘΕΡΜ 4 θερµοκρασίας και του εύρους ζώνης στο οποίο µετράµε το θόρυβο [10]. Έτσι : όπου, P n = k T f (2.7) T : η απόλυτη θερµοκρασία του αγωγού σε Kelvin, K = o C k : 1.38 x10-23 J/K η σταθερά του Boltzmann f : το εύρος ζώνης του θορύβου σε Hz Πρέπει να διευκρινιστεί ότι όλοι οι τύποι που αναφέρονται στο θόρυβο αφορούν στη τετραγωνική τιµή του µέσου τετραγώνου του, και όχι στη στιγµιαία τιµή του η οποία µπορεί να είναι απρόβλεπτη. Χρησιµοποιώντας λοιπόν την παραπάνω εξίσωση, µπορούµε να σχεδιάσουµε το ισοδύναµο κύκλωµα µιας αντίστασης που παράγει θόρυβο, από όπου µπορούµε να υπολογίσουµε την αντίστοιχη τάση θορύβου της αντίστασης. Υποθέτουµε ότι η αντίσταση R L δεν παράγει θόρυβο και δέχεται τη µέγιστη ισχύ θορύβου που παράγει η R. Οπότε για να έχουµε µέγιστη µεταφερόµενη ισχύ, θα πρέπει η αντίσταση R L να ισούται µε την R [16]. Τότε : Σχήµα 2-33 : Ισοδύναµο κύκλωµα αντίστασης R µε θόρυβο και αθόρυβη αντίσταση RL Vn V V 2 V n Pn = = = = (2.8) R R R 4R L

38 V 2 n = 4 R P = 4 R k T f n και V n = 4 k T R f (2.9) Aπό την παραπάνω εξίσωση παρατηρούµε ότι το τετράγωνο της rms τάσης θορύβου που σχετίζεται µε την αντίσταση, είναι ανάλογο της απόλυτης θερµοκρασίας της αντίστασης, και του εύρους ζώνης στο οποίο µετράµε το θόρυβο χωρίς να εξαρτάται µεµονωµένα από τη συχνότητα. Μπορούµε επίσης να πάρουµε και τη µέση τετραγωνική τιµή της έντασης θορύβου, αν χρησιµοποιήσουµε µια πηγή ρεύµατος θορύβου παράλληλα µε µια αγωγιµότητα χωρίς θόρυβο, σύµφωνα µε τη σχέση [10] : 2 I th 2 = 4 k T G f ( A ) (2.10) όπου T : η απόλυτη θερµοκρασία του αγωγού σε Kelvin, K = o C k : 1.38 x10-23 J/K η σταθερά του Boltzmann G : αγωγιµότητα f : το εύρος ζώνης του θορύβου (Ηz) O θόρυβος βολής είναι ο θόρυβος που δηµιουργείται από τις τυχαίες µεταβολές στις αφίξεις των ηλεκτρονίων (ή των οπών) στο ηλεκτρόδιο ενός στοιχείου, ενώ πήρε το όνοµα του από το γεγονός ότι όταν ο θόρυβος αυτός ενισχύεται, αυτό που ακούγεται είναι µια βροχή από σφαίρες που πέφτουν πάνω σε µια µεταλλική επιφάνεια [9,11,15]. Σε συσκευές ηµιαγωγών (στα διπολικά τρανζίστορ για παράδειγµα), το ρεύµα δεν είναι σταθερό, καθώς οι διαδροµές που ακολουθεί είναι τυχαίες και εποµένως άνισες, και προκύπτει ως το άθροισµα παλµών ρεύµατος από τη κίνηση των φορέων του. Η ενεργός τιµή του ρεύµατος του θορύβου βολής δίνεται από τη σχέση [10] : όπου e = 1.6 x C το φορτίο του ηλεκτρονίου I DC = συνεχές ρεύµα (Α) f = το εύρος ζώνης του θορύβου (Ηz) I sh = 2 e I f (2.11) DC

39 Από τα προηγούµενα συµπεραίνει κανείς ότι ο θόρυβος βολής οφείλεται στο διακριτό χαρακτήρα των ηλεκτρικών φορτίων και συνεπώς των ρευµάτων και των τάσεων. Ένας αποτελεσµατικός τρόπος αντιµετώπισης του είναι η αντικατάσταση των απλών µετρήσεων της τιµής ενός µεγέθους µε το αποτέλεσµα της ολοκλήρωσης της τιµής του για ένα σχετικά µεγαλύτερο χρονικό διάστηµα. Γενικά ο θόρυβος βολής έχει τα ίδια φασµατικά χαρακτηριστικά µε τον θερµικό θόρυβο και κατά κανόνα οι rms τιµές του είναι µικρότερες από εκείνες του θερµικού θορύβου. Γενικά ο θόρυβος βολής µπορεί να αγνοηθεί, εκτός από τις ελάχιστες περιπτώσεις όπου πολλές φορές µπορεί να είναι και ο καθοριστικός παράγοντας επαναληψιµότητας των µετρήσεων [16]. Ο 1/f θόρυβος ή flicker θόρυβος είναι ένας ενδογενής θόρυβος, η προέλευση του οποίου µπορεί να αποδοθεί σε διαδοχικές διασπάσεις-επανασυνδέσεις ηλεκτρονίωνοπών, φαινόµενο που είναι ιδιαίτερα έντονο στους ηµιαγωγούς [9,11]. Ωστόσο εµφανίζεται και όπου υπάρχουν συµπλέγµατα διαφορετικών ατόµων, όπως στα υλικά κατασκευής των φωτοκαθόδων, καθώς και όπου υπάρχουν κοκκώδη υλικά όπως π.χ στις αντιστάσεις άνθρακα Ονοµάζεται θόρυβος 1 γιατί εµφανίζεται ιδιαίτερα f έντονος σε σήµατα χαµηλών συχνοτήτων και η ισχύς του είναι ανάλογη του 1 όπου n f f είναι η συχνότητα του σήµατος και n µια σταθερά σχεδόν ίση µε 1 ( 0.9 n 1.35 ). O θερµικός θόρυβος είναι γνωστός και ως θόρυβος Johnson και θόρυβος Nyquist προς τιµή εκείνου που ανακάλυψε το φαινόµενο αυτό και εκείνου, που έδειξε ότι ο θόρυβος αυτός είναι αποτέλεσµα του δεύτερου νόµου της θερµοδυναµικής αντιστοίχως. Ο θερµικός θόρυβος υπάρχει πάντα στα άκρα µιας αντίστασης ανεξάρτητα του εάν η ίδια διαρρέεται ή όχι από ηλεκτρικό ρεύµα. Η φύση του θερµικού θορύβου είναι τυχαία όπως καθαρά η απόσταση και η κατεύθυνση που µπορούν να κινηθούν τα ηλεκτρικά φορτία, απουσία ηλεκτρικού πεδίου. ηλαδή, δεν υπάρχει συγκεκριµένη προτίµηση για µια πολικότητα, ένα πλάτος ή µια συχνότητα. Για τους λόγους αυτούς ο θερµικός θόρυβος είναι τυπικό παράδειγµα θεµελιώδους ( λευκού ), κανονικού θορύβου [16]

40 Η ενεργή (rms) τιµή της τάσης, η οποία αναπτύσσεται στα άκρα µιας αντίστασης λόγω θερµικού θορύβου παρέχεται από την εξίσωση Nyquist [10] VΘΕΡΜ, rms = 4 k T R f (2.12) όπου k η σταθερά του Βoltzman, T η απόλυτη θερµοκρασία, R η τιµή της αντίστασης και f το εύρος της ζώνης συχνοτήτων, που λαµβάνονται υπόψη για τον υπολογισµό της rms τιµής τάσης του θερµικού θορύβου. Επίσης να σηµειωθεί ότι η ισχύς του θερµικού θορύβου δεν εξαρτάται από την τιµή της αντίστασης [10] : P 2 ( VΘΕΡΜ, rms ). = = k T f (2.13) R ΘΕΡΜ 4 O θερµικός θόρυβος αντιµετωπίζεται µε µείωση του εύρους συχνοτήτων και την αποφυγή χρήσης µεγάλων τιµών αντιστάσεων. Έχοντας κάνει λοιπόν µια σύντοµη περιγραφή του θορύβου, θα ασχοληθούµε στη συνέχεια µε τη συνεισφορά στο θόρυβο για καθένα από τα HBTs, για να διαπιστώσουµε ποιο τρανζίστορ και σε ποιο βαθµό παρουσιάζει λιγότερο θόρυβο. Στους πίνακες που ακολουθούν αναγράφεται η rms τιµή του θορύβου η οποία υπολογίστηκε από την τετραγωνική ρίζα του εµβαδού (ολοκληρώµατος) της γραφικής παράστασης που περικλείεται ανάµεσα στην καµπύλη του θορύβου (V 2 /Hz) και του άξονα των συχνοτήτων µέχρι και τη συχνότητα αποκοπής του καθενός V = 3.3V, R = 1KΩ,f = 330MHz, V = 1V, R = 1KΩ) ( c c c b b Πίνακας 2-2 : Tιµές θορύβου για τα SiGe ΗΒΤs υψηλής ταχύτητας ΗΒΤ SiGe Noise Vrms (µv) npn npn npn npn npn npn npn

41 Πίνακας 2-3 : Tιµές θορύβου για τα SiGe ΗΒΤs υψηλής τάσης ΗΒΤ SiGe Noise Vrms (µv) npn 111h npn 121h npn 132h npn 143h npn 232h npn 243h npn 254h Σχήµα 2-34:Καµπύλες θορύβου ( V/ Hz ) για τα SiGe ΗΒΤs υψηλής ταχύτητας Σχήµα 2-35:Καµπύλες θορύβου ( V/ Hz ) για τα SiGe ΗΒΤs υψηλής τάσης

42 Όπως φαίνεται και από τους παραπάνω πίνακες, το τρανζίστορ µε τη µικρότερη rms τάση θορύβου είναι το SiGe ΗΒΤ υψηλής τάσης npn 243h5 το οποίο και θα χρησιµοποιήσουµε στα κυκλώµατα του προενισχυτή και του shaper που θα µελετήσουµε στη συνέχεια. Θα περιγράψουµε τώρα στον πίνακα 2-4 που ακολουθεί τα επιµέρους στοιχεία που επηρεάζουν τον ολικό θόρυβο ενός τρανζίστορ, όπως αναφέρονται στο εγχειρίδιο του Hspice. Πίνακας 2-4 R bx Εξωτερική αντίσταση βάσης External base series resistance R E Αντίσταση εκποµπού Emitter series resistance R cx Εξωτερική αντίσταση συλλέκτη I bepfn Παρασιτικό ρεύµα βάσης εκποµπού (θόρυβος flicker) I be I cc Ρεύµα κόρου βάσηςεκποµπού Ρεύµα συλλέκτη (θόρυβος βολής) I befn Παρασιτικό ρεύµα βάσης εκποµπού (θόρυβος flicker) External collector series resistance Parasitic base emitter flicker noise current Base emitter saturation current Collector shot noise current Base emitter flicker noise current R s Αντίσταση υποστρώµατος Substrate resistance R bp Παρασιτική αντίσταση βάσης Parasitic base resistance R ci Εσωτερική αντίσταση συλλέκτη Intrinsic collector resistance R bi I bep Εσωτερική αντίσταση βάσης Παρασιτικό ρεύµα κόρου βάσης-εκποµπού Intrinsic base resistance Parasitic saturation current base emitter

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Περιγραφή του συστήµατος µέτρησης ακτινοβολίας ενέργειας της 3.1 Περιγραφή του συνολικού κυκλώµατος-διάταξης Το συνολικό κύκλωµα µέτρησης ενέργειας της ακτινοβολίας περιλαµβάνει έναν αισθητήρα, έναν προενισχυτή και ένα διαµορφωτή παλµών 2, µε το µπλοκ διάγραµµα να παριστάνεται στο σχήµα 3-1 Σχήµα 3-1: Mπλοκ διάγραµµα του συστήµατος µέτρησης ενέργειας της ακτινοβολίας Συγκεκριµένα, ακτινοβολία προσπίπτει σε αισθητήρα (ανάστροφα πολωµένη δίοδος), από τον οποίο δηµιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίων και οπών, ο αριθµός των οποίων εξαρτάται από την ενέργεια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Ακολουθεί προενισχυτής ο οποίος και ολοκληρώνει µέσω πυκνωτή ανάδρασης το φορτίο που δίνει ο ανιχνευτής και παράγει στην έξοδο του στενό παλµό τάσης. Ο παλµός αυτός αποτελεί το σήµα εισόδου του κυρίως ενισχυτή της διάταξης, του shaper, όπου και φιλτράρεται κατάλληλα καθώς οδηγείται σε A/D µετατροπείς για να µετατραπεί σε 2 shaper

44 ψηφιακό σήµα και να µπορέσει να επεξεργαστεί κατάλληλα από πολυκάναλους αναλυτές παλµών. 3.2 Περιγραφή του αισθητήρα Η ανάπτυξη της τεχνικής των ανιχνευτών ηµιαγωγού είχε προκαλέσει επανάσταση στο πεδίο των ανιχνευτών πυρηνικής ακτινοβολίας και αυτό λόγω των µεγάλων επιδόσεών του, σε σχέση µε τους ανιχνευτές αερίου, όπως : i. µικρό και ευκολόχρηστο σχήµα και µέγεθος ii. µικρό χρόνο ανύψωσης των παλµών εξόδου (µερικά nsec) iii. γραµµική απόκριση σε ευρύ ενεργειακό φάσµα iv. πολύ καλή ενεργειακή διακριτική ικανότητα Οι ανιχνευτές ηµιαγωγού µπορούν να θεωρηθούν λειτουργικά όµοιοι µε τους θαλάµους ιονισµού, όπου το αέριο του θαλάµου έχει αντικατασταθεί από ένα ηµιαγώγιµο στερεό. Στους ηµιαγωγούς, η ιονίζουσα ακτινοβολία δηµιουργεί ζεύγη ιόντων στον κρύσταλλο, που συλλέγονται µε τη βοήθεια ενός εξωτερικά εφαρµοζόµενου ηλεκτρικού πεδίου. Συγκεκριµένα, κατά την πρόσπτωση ακτινοβολίας πάνω στον αισθητήρα, παράγεται στην έξοδο του ένας αριθµός φορτίων, ο οποίος εξαρτάται από το είδος του αισθητήρα, δηλαδή το υλικό κατασκευής του, από το µέγεθος του και από την ενέργεια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Ο αριθµός των φορτίων Q, που παράγεται δίνεται από τη σχέση : 6 E e 10 Q = (3.1) ε όπου E : η ενέργεια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας e : φορτίο ενός ηλεκτρονίου 1.6 x Cb ε : η απαιτούµενη ενέργεια για τη δηµιουργία ζεύγους ηλεκτρονίου-οπής στον αισθητήρα

45 Tυπικές τιµές της ενέργειας ε για διάφορα είδη ανιχνευτών, παριστάνονται και στον πίνακα 3-1 που ακολουθεί. Detector Πίνακας 3-1 : Tυπικές τιµές της ενέργειας ε ε (ev) Silicon 3.62 (300 o K) to 3.71 (77 o K) Germanium 2.96 (77 o K) Proportional Counters Argon 26.4 Methane 29.2 O παλµός των φορτίων που παράγεται στην έξοδο του αισθητήρα έχει πολύ µικρή χρονική διάρκεια και περιέχει πληροφορίες για την ενέργεια των σωµατιδίων που προσπίπτουν και το είδος τους. Έτσι ένας αισθητήρας, από ηµιαγώγιµο υλικό µπορεί να µοντελοποιηθεί από µια Dirac πηγή ρεύµατος δ (t) παράλληλα συνδεδεµένη µε µια χωρητικότητα C d όπως φαίνεται και στο σχήµα 3-2 που ακολουθεί. Σχήµα 3-2: Μοντελοποίηση αισθητήρα από πηγή ρεύµατος Dirac-παράλληλα συνδεδεµένη µε χωρητικότητα Σύµφωνα µε το παραπάνω µοντέλο, το σήµα που οφείλεται σε φορτίο ίσο µε αυτό ενός ηλεκτρονίου, αντιστοιχεί µε ένα παλµό ρεύµατος Dirac, το ολοκλήρωµα του οποίου ισούται µε το φορτίο ενός ηλεκτρονίου 3.3 Περιγραφή του προενισχυτή Ο προενισχυτής αποτελεί το κύκλωµα εισόδου για το σήµα που παράγεται από τον αισθητήρα προς τις υπόλοιπες ηλεκτρονικές µονάδες του συστήµατος. Οι προενισχυτές είναι κυκλώµατα µε µικρό θόρυβο, αποµονώνουν το σήµα εξόδου του

46 ανιχνευτή από την υψηλή τάση τροφοδοσίας, και µπορούν να διακριθούν σε τρεις κατηγορίες [12,17] : i. Προενισχυτές τάσης ii. Προενισχυτές ρεύµατος iii. Προενισχυτές φορτίου Ένας προενισχυτής τάσης παράγει στην έξοδο του έναν παλµό τάσης, ανάλογο µε το φορτίο Q που ελευθερώνεται από τον αισθητήρα. Οι προενισχυτές τάσης παρουσιάζουν µεγάλη αντίσταση εισόδου, ενώ ανταποκρίνονται µε µια πολύ µικρή αντίσταση εξόδου, κατάλληλη για να οδηγηθεί το σήµα εξόδου τους µέσω ενός καλωδίου στον shaper. Ωστόσο, είναι πολύ ευαίσθητος σε αλλαγές στη χωρητικότητα των καλωδίων και εξαιτίας της µεγάλης αντίστασης εισόδου του, είναι πολύ πιθανό να επηρεαστεί η χαµηλή συχνότητα απόκρισής του. Οι προενισχυτές αυτοί είναι κατάλληλοι για ανιχνευτές σπινθηρισµών, λιγότερο δαπανηροί και περισσότερο αξιόπιστοι, αφού περιέχουν λιγότερα στοιχεία και είναι περισσότερο εύκολο να κατασκευαστούν. εν χρησιµοποιούνται ιδιαίτερα µε αισθητήρες Si ή Ge και αυτό γιατί το κέρδος τους εξαρτάται από τη χωρητικότητα της οποίας µπορεί να οδηγήσει σε ανακριβή αποτελέσµατα. C d του αισθητήρα, η µεταβολή Ο προενισχυτής ρεύµατος µετατρέπει τους γρήγορους παλµούς ρεύµατος σε παλµούς τάσης, ενώ παρουσιάζει µικρή αντίσταση εισόδου. Με την ενίσχυση του σήµατος κατά ρεύµα ο παλµός δε µεταβάλλεται κατά πλάτος. Γίνεται όµως εύχρηστος, γιατί εφ' όσον η ισχύς του έχει ενισχυθεί : i. Μπορεί να µεταφερθεί µέχρι τον ενισχυτή χωρίς µεγάλες απώλειες. ii. Περιορίζει το θόρυβο, όταν το σήµα περάσει από το τερµατικό, γιατί η ισχύς του είναι αµελητέα συγκριτικά µε την ισχύ του σήµατος. Αν όµως το σήµα δεν είχε ενισχυθεί κατά ρεύµα, οι απώλειες από τη διέλευσή του µέσω των τερµατικών θα ήταν σχετικά µεγάλες

47 iii. Μας δίνεται η δυνατότητα να χρησιµοποιήσουµε µικρή αντίσταση εξόδου στον προενισχυτή (περίπου 100 Ω). Έτσι αποφεύγονται οι ανακλάσεις του σήµατος µεταξύ προενισχυτή και ενισχυτή, ενώ παράλληλα διευκολύνεται η προσαρµογή των κυκλωµατικών στοιχείων του ανιχνευτή µε τον κυρίως ενισχυτή. Ωστόσο, η χρήση προενισχυτών ρεύµατος αποφεύγεται, καθώς κύριος λόγος είναι η όχι και τόσο καλή συµπεριφορά τους ως προς το θόρυβο. Οι προενισχυτές φορτίου (CSA-Charge Sensitive Amplifiers), είναι αρκετά διαδεδοµένοι στην υλοποίηση συστηµάτων µέτρησης ακτινοβολίας και σε εφαρµογές φασµατοσκοπικής ανάλυσης. Στο σχήµα 3-3 παριστάνεται ένας τυπικός προενισχυτής φορτίου [14]. Σχήµα 3-3 : Tυπικός προενισχυτής φορτίου. Το σήµα εξόδου του ανιχνευτή ηµιαγωγού ( ή του θαλάµου ιονισµού), είναι µια ποσότητα φορτίου που µεταφράζεται ως παλµός ρεύµατος µε διάρκεια από sec, τιµές που εξαρτώνται από το είδος και το µέγεθος του. Το φορτίο αυτό εισόδου Q, ολοκληρώνεται µέσω της χωρητικότητας ανάδρασης C f, και έτσι το κέρδος του ενισχυτή είναι ανεξάρτητο από τις διακυµάνσεις της χωρητικότητας C d του αισθητήρα, ενώ στην ιδανική περίπτωση, ο χρόνος ανόδου του παλµού εξόδου είναι

48 ίσος µε το πλάτος παλµού ρεύµατος του ανιχνευτή. Το πλάτος παλµού τάσης στην έξοδο του για φορτίο εισόδου Q είναι : V O όπου Q C V O = και f = R f C f f Q : το φορτίο εξόδου του ανιχνευτή, R f : η αντίσταση ανάδρασης (ΜΩ), C f : η χωρητικότητα ανάδρασης (0.1-5 pf) τ (3.2) Η επικράτηση των προενισχυτών φορτίου σε σχέση µε τους άλλους που µελετήσαµε προηγουµένως, οφείλεται κυρίως στην πολύ καλύτερη συµπεριφορά τους ως προς το θόρυβο, µε την προϋπόθεση όµως να βρίσκονται σε κοντινή απόσταση από τον ανιχνευτή [13,18]. 3.4 Περιγραφή του shaper Ο shaper είναι ένα ακόµα υποκύκλωµα των συστηµάτων µέτρησης της ενέργειας της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, µε τη συνεισφορά του στη διαµόρφωση του παραγόµενου παλµού να είναι ιδιαίτερα σηµαντική. Η σπουδαιότερη αποστολή του στη φασµατοσκοπία είναι να µορφοποιήσει τους παλµούς µε αποτέλεσµα να ενισχύσει το ύψος τους και να αποκόψει µε κατάλληλα κυκλώµατα φίλτρων ορισµένες συχνότητες. Έτσι προσπαθούµε να διατηρήσουµε γραµµική απόκριση και να επιτύχουµε το µέγιστο δυνατό λόγο σήµατος/θόρυβο. Οι λόγοι για τους οποίους επιχειρούµε µορφοποίηση των παλµών είναι βασικά τρεις : i.. Για την παρεµπόδιση της επικάλυψης. Τo αποτέλεσµα της ανίχνευσης ενός γεγονότος πρέπει να εξαλειφθεί µέσα σε χρόνο µικρότερο από το χρονικό διάστηµα µεταξύ δύο διαδοχικών παλµών. Ο χρόνος όµως αυτός πρέπει να είναι αρκετός, ώστε να µην καταστραφεί η πληροφορία της ανίχνευσης. Αν ο χρόνος αυτός δε µετριασθεί, οι παλµοί θα επικαλύπτονται µε αποτέλεσµα να προκύπτουν λάθη στην εκτίµηση του πλάτους

49 ii. Για τη βελτίωση του λόγου σήµατος/θόρυβο. Οι αναπόφευκτες πηγές θορύβου στον ανιχνευτή και στα πρώτα στάδια ενίσχυσης δηµιουργούν θόρυβο, του οποίου το πλάτος είναι αρκετά µεγάλο συγκριτικά µε το πλάτος του σήµατος. Κατάλληλες µέθοδοι µορφοποίησης ενισχύουν το σήµα, ενώ συγχρόνως ελαττώνουν το θόρυβο. Έτσι αυξάνεται ο λόγος σήµατος/θοόρυβο, ενώ παράλληλα βελτιώνεται η διακριτική ικανότητα του συστήµατος. iii. Για τη διευκόλυνση της επεξεργασίας των δεδοµένων. Από τη στιγµή που ο αρχικός παλµός µορφοποιηθεί στον κυρίως ενισχυτή, είναι αναγκαίο να του δώσουµε το κατάλληλο σχήµα, για να µπορέσει να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις ενός συστήµατος επεξεργασίας δεδοµένων, όπως ο πολυκαναλικός αναλυτής. Ο shaper ως φίλτρο πρέπει να διαµορφώνει τους παλµούς ώστε να έχουν ένα πλατύ µέγιστο, να είναι στενοί ώστε να επιτρέπονται µεγάλοι ρυθµοί παλµών και να 1 φιλτράρει τον θόρυβο που, µεταφέρεται από τον προενισχυτή. f Όταν ο ρυθµός καταµέτρησης υπερβεί τις 100 κρούσεις/sec, τότε η µέθοδος που χρησιµοποιείται για τη βελτίωση του λόγου σήµατος/θόρυβο έρχεται σε αντίθεση µε τη µέθοδο που χρησιµοποιείται για τον περιορισµό της επικάλυψης. Αυτή η βασική αντίθεση µας αναγκάζει να κάνουµε ορισµένους συµβιβασµούς στη σχεδίαση του πειράµατος. Όταν η βασική επιδίωξη σε ένα πείραµα είναι η βελτίωση της διακριτικής ικανότητας, προσπαθούµε να ελαττώσουµε το ρυθµό καταµετρήσεων διαλέγοντας κατάλληλη γεωµετρία, κ.λπ. Ορισµένες φορές βέβαια το πείραµα απαιτεί υψηλό αριθµό καταµετρήσεων, παράλληλα όµως µας είναι αναγκαία µια καλή διακριτική ικανότητα. Σ αυτή την περίπτωση είναι απαραίτητη µια προσεκτική εκλογή των κυκλωµάτων, µε τα οποία θα µορφοποιήσουµε τον παλµό κατάλληλα. Οι κυριότεροι τρόποι µορφοποίησης παλµών είναι οι εξής : α) ιαφόριση. Αυτή επιτυγχάνεται µε κύκλωµα CR το οποίο και επηρεάζει το τµήµα πτώσης του παλµού

50 β) Ολοκλήρωση. Αυτή επιτυγχάνεται µε κύκλωµα RC και επηρεάζει το τµήµα ανόδου του παλµού Με τα κυκλώµατα διαφόρισης προσπαθούµε να περιορίσουµε τις συνιστώσες χαµηλών συχνοτήτων της κυµατοµορφής. Αντίθετα, µε τα κυκλώµατα ολοκλήρωσης περιορίζουµε τις αρκετά υψηλές συχνότητες. Στην πράξη δε χρησιµοποιούµε ούτε RC ολοκλήρωση, ούτε CR διαφόριση αλλά ένα συνδυασµό των ανωτέρω, όπως φαίνεται στο σχήµα 3-4 [13] Σχήµα 3-4 Λόγω της δεύτερης διαφόρισης, αρχικά στον προενισχυτή και έπειτα στον ενισχυτή, ο παλµός τέµνει τη στάθµη του µηδενός στο σηµείο 7 τ όπου τ : η σταθερά χρόνου του κυκλώµατος Τo τελικό αποτέλεσµα είναι η βελτίωση του λόγου σήµατος/θόρυβο. Συνήθως χρησιµοποιούµε τις ίδιες σταθερές χρόνου στα κυκλώµατα CR και RC, τιµές οι οποίες εξαρτώνται από το είδος του ανιχνευτή και τον ρυθµό καταµέτρησης του συστήµατος ανίχνευσης της ακτινοβολίας. Ειδική µορφή µορφοποίησης είναι η διπλή διαφόριση µε ένα CR-RC-CR κύκλωµα στον κυρίως ενισχυτή. Ο παλµός εξόδου είναι διπολικός. Η µετατόπιση από τη στάθµη του µηδενός µπορεί να περιορισθεί είτε σε επόµενο στάδιο του ενισχυτή είτε µε ανεξάρτητο όργανο. Στην παρούσα εργασία, το κύκλωµα του shaper, επιλέχτηκε να είναι ένα Semi- Gaussian φίλτρο, βασιζόµενοι στο γεγονός ότι η συνεισφορά του στο θόρυβο είναι µικρότερη από τις προηγούµενες αντίστοιχες υλοποιήσεις. Με την αντικατάσταση ενός απλού RC ολοκληρωτή µε ένα πιο περίπλοκο ενεργό δίκτυο ολοκλήρωσης, ο λόγος σήµατος προς θόρυβο του shaper µπορεί να βελτιωθεί