Σχεδιασμός Συστήματος SiGe BiCMOS Ανάγνωσης Ακτινοβολίας Από Ανιχνευτές Μεγάλης Χωρητικότητας

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ & Η/Υ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ (ΡΑΔΙΟΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ) AUTH Σχεδιασμός Συστήματος SiGe BiCMOS Ανάγνωσης Ακτινοβολίας Από Ανιχνευτές Μεγάλης Χωρητικότητας SiGe BiCMOS CSA-Shaper Readout System Design For Large Capacitive Detectors ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του Νικολάου Καΐσερλη Επιβλέπων: Στυλιανός Σίσκος (Αναπληρωτής Καθηγητής) Θεσσαλονίκη, Οκτώβριος 2009

2 Στην αδερφή μου Ελένη, και στους γονείς μου, Ελευθέριο και Ειρήνη, Με αγάπη.

3 ΑΝΤΙ ΠΡΟΛΟΓΟΥ Η συγκεκριμένη εργασία πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της διπλωματικής μου εργασίας στην κατεύθυνση της Τεχνολογίας Ηλεκτρονικών Κυκλωμάτων του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών Ραδιοηλεκτρολογίας του Τμήματος Φυσικής της Σχολής Θετικών Επιστημών του Α.Π.Θ.. Θέλω να εκφράσω τις θερμές ευχαριστίες μου στον επιβλέποντα καθηγητή της εργασίας αυτής του Τομέα Ηλεκτρονικής και Η/Υ κ. Στυλιανό Σίσκο για την συνεχή επίβλεψη και για τις εύστοχες παρατηρήσεις του καθώς και στον Διδάκτορα του Τμήματος Φυσικής Θωμά Νούλη για την εμπειρία, τις γνώσεις και την βοήθεια που μου προσέφερε για την περάτωση της εργασίας αυτής. Νικόλαος Ε. Καΐσερλης Οκτώβριος 2009

4 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα συστήματα ανίχνευσης ακτινοβολίας αναπτύσσονται όλο και περισσότερο σε εφαρμογές που σχετίζονται με τον τομέα της ραδιενέργειας, με ιατρικές και διαστημικές εφαρμογές. Οι CMOS και BiCMOS τεχνολογίες επιλέγονται για την σχεδίαση των συστημάτων ανάγνωσης ανιχνευτών ακτινοβολίας Χ, λόγω της υψηλής πυκνότητας ολοκλήρωσης και της μικρής κατανάλωσης ισχύος που παρουσιάζουν, αλλά και της δυνατότητας υλοποίησης αναλογικών και ψηφιακών κυκλωμάτων στο ίδιο chip. Η δομή προενισχυτή, φίλτρου μορφοποίησης είναι η συνηθέστερη δομή των συστημάτων ανάγνωσης. Στην συγκεκριμένη εργασία προτείνεται μία εναλλακτική σχεδίαση ενός τέτοιου συστήματος και ένα ολοκληρώσημο semi-gaussian φίλτρο μορφοποίησης βασισμένο στην LeapFrog τεχνική. Πιο συγκεκριμένα προτείνεται η σχεδίαση ενός πλήρως ολοκληρώσιμου συστήματος, προενισχυτή μορφοποιητή, για ανιχνευτές ακτίνων Χ σε τεχνολογία 0.35μm SiGe BiCMOS από την AMS. Η προτεινόμενη τοπολογία είναι βασισμένη σε τελεστικούς ενισχυτές. Στοιχεία για τα επίπεδα θορύβου, την συχνοτική περιοχή λειτουργίας καθώς και τις προδιαγραφές σχεδίασης του συγκεκριμένου συστήματος παρουσιάζονται στην ανάλυση, η οποία υποστηρίζεται από εκτεταμένα αποτελέσματα προσομοιώσεων τα οποία επιβεβαιώνουν την προτεινόμενη μεθοδολογία σχεδίασης καθώς και την ικανοποιητική απόδοση του συστήματος.

5 ABSTRACT Radiation detection has been increasingly developed in various fields of radioactivity control, medical imaging and space science. CMOS and BiCMOS technologies are chosen for the implementation of integrated front end systems due to their high integration density, relatively low power consumption, and capability to combine analog and digital circuits on the same chip. The preamplifier shaper structure is commonly adopted in the design of the above systems. In this work, an alternative design technique is introduced for a detection system and a IC semi-gaussian shaping filter is suggested based on the LeapFrog technique. More specific a fully integrated preamplifier - shaper system for X-rays silicon strip detectors is developed in 0.35μm SiGe BiCMOS process by AMS. The proposed topology is based on op-amps. Considerations about the noise performance, the bandwidth and the applications design specifications are presented. Analysis is supported by extensive simulation results, which confirm the proposed design methodology and the satisfactory system performance.

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφ. 1 Τεχνολογία SiGe BiCMOS Ιστορική Εξέλιξη Τεχνολογίας BiCMOS Βασικές Αρχές Κατασκευής BJT σε Si (BiCMOS Process Flow) Διπολικό Τρανζίστορ Σε SiGe BiCMOS Τεχνολογία Σύγκριση SiGe BiCMOS Τρανζίστορ με Si Συμβατικό Τρανζίστορ 10 Κεφ. 2 Ανάλυση Θορύβου Διπολικού Τρανζίστορ Στην BiCMOS Τεχνολογία Βασικές Αρχές Θορύβου Σε Κυκλώματα Σημαντικότερες Πηγές Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία Μοντελοποίηση Θορύβου Στο Διπολικό Τρανζίστορ (SiGe BiCMOS) Θεωρία Διθύρου Ισοδύναμο Κύκλωμα Θορύβου Διπολικού Τρανζίστορ Προσομοίωση Πηγών Θορύβου Διπολικού Τρανζίστορ 24 Κεφ. 3 Σύστημα Ανάγνωσης Ακτινοβολίας Βασικές Αρχές Συστήματος Ανάγνωσης Ακτινοβολίας Περιγραφή Αισθητήρα Περιγραφή Προενισχυτή Περιγραφή Μορφοποιητή (Shaper) Παράμετροι Επίδοσης Συστημάτων Ανάγνωσης Ακτινοβολίας 44 Κεφ. 4 Σχεδίαση Κυκλώματος Προενισχυτή Βασικές Αρχές Σχεδίασης Κασκοδικού Ενισχυτή Ανάλυση Θορύβου Κασκοδικού Ενισχυτή Ανάλυση Θορύβου Προενισχυτή Θορύβου Βελτιστοποίηση Θορύβου MOS Τρανζίστορ (SiGe BiCMOS) Βελτιστοποίηση Θορύβου BJT Τρανζίστορ (SiGe BiCMOS) Σχεδίαση Προενισχυτή Φορτίου Προσομοίωση Προενισχυτή Φορτίου 60 Κεφ. 5 Σχεδίαση Κυκλώματος Μορφοποιητή Shaper Ανάλυση Κυκλώματος Μορφοποιητή Ανάλυση Τεχνικής Σχεδιασμού Συναρτησιακής Εξομοίωσης (LeapFrog) Σχεδιασμός Φίλτρου Μορφοποίησης Τάσης Με Χρήση Τελεστικών Ενισχ Ανάλυση Κυκλώματος Τελεστικού Ενισχυτή (OpAmp) Προσομοίωση Κυκλώματος Τελεστικού Ενισχυτή Βασικά Κυκλώματα Με Χρήση Τελεστικών Ενισχυτών (OpAmp) Βασική Μονάδα Στην Τοπολογική Εξομοίωση Με Τελεστικούς Ενισχυτές Σχεδίαση Εξομοιωτή Επιπλέουσας Χωρητικότητας Υλοποίηση Φίλτρου Μορφοποίησης Με Τεχνική LeapFrog και Τοπολογική 92 Εξομοίωση Χωρητικότητας Με Χρήση Τελεστικών Ενισχυτών 5.5 Προσομοίωση Φίλτρου Μορφοποίησης 94

7 Κεφ. 6 Προσομοίωση Συνολικού Συστήματος Ανίχνευσης Ακτινοβολίας Υλοποίηση Συνολικού Συστήματος Προσομοίωση Συνολικού Συστήματος Συμπεράσματα 110 Παράρτημα Κώδικας Προσομοιώσεων Συνολικού Κυκλώματος 113 Αναφορές 121

8

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο Τεχνολογία SiGe - BiCMOS 1.1 Ιστορική Εξέλιξη Τεχνολογίας BiCMOS 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 Είναι γεγονός οτι τα διπολικά τρανζίστορ έχουν σαν βασικά τους πλεονεκτήματα την υψηλή ταχύτητα, την μικρή αντίσταση εξόδου καθώς και υψηλές τιμές ενισχυσης όπου χρειάζεται, σε αντίθεση με την τεχνολογία CMOS που προβάλει σαν βασικό πλεονέκτημα της την πολύ μεγάλη αντίσταση εισόδου, που πολύ απλά μεταφράζεται σε δυνατότητα κατασκευής απλών λογικών πυλών χαμηλής κατανάλωσης. Για πολλά χρόνια σχεδιαστές είχαν εντοπίσει τα πλεονεκτήματα μιας πιθανής ένωσης των δύο τεχνολογιών, ωστόσο εξαιτίας των δυσκολιών δημιουργίας ενός κράματος SiGe κατάλληλου για την υλοποίηση ενός τέτοιου επιχειρήματος, η ιδέα αυτή έγινε πραγματικότητα τα τελευταία 15 χρόνια [1]. Η SiGe τεχνολογία άρχισε να κάνει αισθητή την παρουσία της ουσιαστικά από το Δεκέμβριο του 1990 όταν και κατασκευάστηκε το πρώτο HBT SiGe τρανζίστορ, ενώ η SiGe ΒiCMOS τεχνολογία αναφέρθηκε επίσημα πλεον το Δεκέμβριο του Η καινούργια τεχνολογία αυτή γρήγορα βρήκε εφαρμογές σε ενισχυτές, αναλογικά κυκλώματα διαχείρησης ισχύος καθώς και σε κάποια λογικά κυκλώματα. Τεχνολογία SiGe - BiCMOS

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Για πρώτη φορά το Δεκέμβριο του 1993, προτάθηκε τρανζίστορ HBT SiGe με απόκριση συχνότητας μεγαλύτερη από 100 GHz, ενώ το 2001 αυτό με συχνότητα αποκοπής μεγαλύτερη από 200 GHz [2]. Μπορούμε πλέον να υποστηρίξουμε οτι μια συχνότητα αποκοπής μεγαλύτερη από 300 GHz είναι πλέον ρεαλιστικός στόχος, καθιστώντας την τεχνολογία αυτή περισσότερο ανταγωνιστική από ποτέ [3]. Οι εφαρμογές όπου χρησιμοποιείται πλέον η τεχνολογία αυτή ποικίλλουν σε ενσύρματες και ασύρματες, σε αποθηκευτικές μονάδες και σε κυκλώματα υψηλής ταχύτητας και μεγάλου εύρους ζώνης. Κλασσικά παραδείγματα που μπορεί να αναφέρει κάποιος είναι, ταλαντωτές υψηλών συχνοτήτων (RF Oscillators), κυκλώματα χαμηλού θορύβου και κυκλώματα αναφοράς τάσης (Band Gap-Based References). Χαρακτηριστικά για τους μικροεπεξεργαστές Pentium, Pentium Pro και SuperSparc έγινε χρήση σε κάποια μέρη τους, της BiCMOS τεχνολογίας [4]. 1.2 Βασικές Αρχές Κατασκευής BJT Σε Si BiCMOS Τεχνολογία ( BiCMOS Proccess Flow ) Στο κομμάτι αυτό θα γίνει μια συνοπτική περιγραφή των βημάτων που ακολουθούνται ώστε να γίνει ολοκληρωση ενός διπολικού τρανζίστορ [6]. Το αρχικό βήμα είναι να χρησιμοποιηθεί ένα ελαφρά ντοπαρισμένο πλακίδιο τύπου P (P-Type Substrate), πάχους περίπου μm με συγκέντρωση προσμίξεων άτομα/cm 3, και το οποίο στην συνέχεια θα ακτινοβολιθεί με αντιμόνιο. Στο Σχήμα - (1.1) φαίνεται η αρχική ακτινοβόληση, καθώς και τα παράθυρα που έχουν δημιουργηθεί με επίστρωση οξειδίου του πυριτίου ώστε το αντιμόνιο να επιδράσει σε αυτές και μόνο τις ανοιχτές περιοχές. Σχήμα 1.1 Εγκάρσια τομή διαδικασίας ακτινοβόλησης με αντιμόνιο Τεχνολογία SiGe BiCMOS 2

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Αφού ακτινοβοληθεί με το αντιμόνιο το υπόστρωμα, στη συνέχεια θερμαίνεται εντατικά σε υψηλή θερμοκρασία ώστε να απαλειφθούν τυχόν ατέλειες και να γίνει σωστή διάχυση τών ιόντων. Κατά τη διαδικασία της θέρμανσης αναπτύσσεται οξείδιο του πυριτίου καλύπτοντας πλέον όλη την επιφάνεια και γίνεται και ταυτόχρονη ακτινοβόληση με βόριο ώστε να διαχωριστούν μεταξύ τους οι δύο περιοχές τύπου N + που δημιουργήθηκαν καθώς και να ευθυγραμμιστούν. Τα βήματα αυτά φαίνονται αναλύτικά στο Σχήμα (1.2) : Σχήμα 1.2 Εγκάρσια τομή διαδικασίας διαχωρισμού-ευθυγράμμισης περιοχών Ν + Στην συνέχεια αφού αφαιρεθεί όλο το στρώμα οξειδίου από την επιφάνεια του πλακιδίου, αναπτύσσεται μια επιταξιακή στρώση στην επιφάνεια του υλικού. Αφού ολοκληρωθεί και αυτή η διαδικασία και πλέον έχουμε εσωτερικές περιοχές τύπου Ν + και P όπως φαίνεται και στο Σχήμα (1.3), γίνεται χρήση της τεχνολογίας δίδυμου πηγαδιού ( Twin Well Process ) ώστε να δημιουργηθεί η περιοχή πηγαδιού τύπου Ν του PMOS, καθώς και ο συλλέκτης του διπολικού τρανζίστορ τύπου NPN. Σχήμα 1.3 Εγκάρσια τομή διαδικασίας ανάπτυξης επιφανειακού επιταξιακού στρώματος Τεχνολογία SiGe BiCMOS 3

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Για αυτόν ακριβώς το λόγο χρησιμοποιούμε πάλι μάσκες, όπως και πριν και πιο συγκεκριμένα αναπτύσσεται στρώμα νιτριδίου πάνω από τις περιοχές τύπου P για να τις προστατέψει από την εμφύτευση ιόντων και το οποίο μένει ανοιχτό πάνω από τις περιοχές τύπου Ν +, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 1.4, και γίνεται ακτινοβόλιση με αντιμόνιο. Σχήμα 1.4 Εγκάρσια τομή διαδικασίας ανάπτυξης Ν πηγαδιών Αφού γίνει η διαδικασία αυτή, της εμφύτευσης και δημιουργίας των πηγαδιών τύπου - Ν, αναπτύσσεται ένα παχύ στρώμα οξειδίου του πυριτίου πάνω από τις περιοχές τύπου Ν και ταυτόχρονα αφαιρείται το στρώμα νιτριδίου από τις περιοχές τύπου P, ώστε αντίστοιχα να δημιουργηθούν τα P πηγάδια από ακτινοβόλιση με βόριο. Σχήμα - (1.5) : Σχήμα 1.5 Εγκάρσια τομή διαδικασίας ανάπτυξης P - πηγαδιού Έχοντας έτοιμα τα πηγάδια πλέον, η διαδικασία προχωράει και αφού αναπτυχθεί ένα παχύ στρώμα νιτριδίου πάνω από το οξείδιο, το στρώμα οξειδίου νιτριδιου φωτοχαράσσεται, Σχήμα (1.6), και στη συνέχεια γίνεται διάχυση τύπου P με βόριο. Ο προορισμός της διάχυσης αυτής είναι να δημιουργήσει Τεχνολογία SiGe BiCMOS 4

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 βαθιές τύπου P περιοχές μόνωσης (Isolation Walls), που φτάνουν μέσα από την επιταξιακή στρώση μέχρι το υπόστρωμα. Σχήμα 1.6 Εγκάρσια τομή διαδικασίας ανάπτυξης περιοχών μόνωσης Πρέπει να τονιστεί ότι επειδή το βάθος διάχυσης σε αυτήν την περίπτωση είναι αρκετά μεγάλο, απαιτούνται αρκετές ώρες διάχυσης σε θερμοκρασία μέχρι C. Το επόμενο βήμα της διαδικασίας περιλαμβάνει αφαίρεση της στρώσης νιτριδίου, αναπτύσσεται ένα παχύ στρώμα φωτοανθεκτικού υλικού, αφήνοντας ανοικτό ένα παράθυρο όπως φαίνεται και στο Σχήμα (1.7), ώστε να επιτευχθεί βαθιά εμφύτευση ιόντων φωσφόρου στην περιοχή Ν - πηγαδιού που θα αποτελέσει και τον συλλέκτη του διπολικού τρανζίστορ. Σχήμα 1.7 Εγκάρσια τομή διαδικασίας εμφύτευσης ιόντων φωσφόρου (Συλλέκτης) Τεχνολογία SiGe BiCMOS 5

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Στην συνέχεια, με την ίδια ακριβώς διαδικασία, ανοίγεται παράθυρο ώστε να γίνει εμφύτευση ιόντων βορίου με στόχο τη δημιουργία της βάσης του τρανζίστορ. Σχήμα (1.8) : Σχήμα 1.8 Εγκάρσια τομή διαδικασίας εμφύτευσης ιόντων βορίου (Βάση) Ακολουθεί η δημιουργία του εκπομπού που δημιουργείται στη διάχυση της βάσης. Πριν από αυτό όμως πρέπει να έχει αφαιρεθεί η στρώση φωτοανθεκτικού υλικού, τη θέση του οποίου παίρνει μια στρώση από πολυπυρίτιο, αφήνοντας όπως πάντα ανοικτό το παράθυρο που μας απασχολεί να γίνει η εμφύτευση ιόντων. Σχήμα (1.9) Σχήμα 1.9 Εγκάρσια τομή διαδικασίας εμφύτευσης ιόντων Αρσενικού (Βάση) Η εμφύτευση ιόντων αρσενικού στο στρώμα πολυπυριτίου θα δημιουργήσει μια διαδικασία εξωδιάχυσης η οποία και θα συντελέσει στην μορφοποίηση του εκπομπού. Με λίγα λόγια η ακτινοβόλιση του στρώματος πολυπυριτίου συντελεί Τεχνολογία SiGe BiCMOS 6

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 στο να σχηματιστούν οι πύλες των δύο τρανζίστορ επαφής που κατασκευάζονται καθώς και του εκπομπού του διπολικού, όλα πάνω στο ίδιο πλακίδιο πυριτίου. Εφόσον ολοκληρωθεί η μορφοποίηση του εκπομπού, η περαιτέρω διαδικασία ολοκλήρωσης των δύο τρανζίστορ επαφής δεν διαφέρει σχεδόν καθόλου από μια διαδικασία κλασσική CMOS. Δηλαδή, γίνεται εκτεταμένη ακτινοβόλιση με ιόντα φωσφόρου ώστε να μορφοποιηθεί το κανάλι στο ΝMOS τρανζίστορ και ταυτόχρονα αφήνεται ανοικτό και το παράθυρο του συλλέκτη ώστε να επωφεληθεί από τα επιπλέον ιόντα φωσφόρου. Σχήμα (1.10), Σχήμα (1.11) Σχήμα 1.10 Εγκάρσια τομή διαδικασίας εμφύτευσης ιόντων φωσφόρου Σχήμα 1.11 Εγκάρσια τομή διαδικασίας μορφοποίησης καναλιού ΝMOS Τεχνολογία SiGe BiCMOS 7

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Με αντίστοιχη διαδικασία γίνεται εκτεταμένη ακτινοβόλιση με ιόντα βορίου ώστε να μορφοποιηθεί το κανάλι στο PMOS τρανζίστορ και ταυτόχρονα αφήνεται ανοικτό και το παράθυρο της βάσης ώστε να επωφεληθεί από τα επιπλέον ιόντα βορίου. Σχήμα (1.12), Σχήμα (1.13) Σχήμα 1.12 Εγκάρσια τομή διαδικασίας εμφύτευσης ιόντων βορίου Σχήμα 1.13 Εγκάρσια τομή διαδικασίας μορφοποίησης καναλιού PMOS και τελική μορφή διπολικού τρανζίστορ σε Si BiCMOS τεχνολογία Στο Σχήμα (1.13), μπορούμε να διακρίνουμε τελικά τρία τρανζίστορ, δύο επαφής και ένα διπολικό. Η όλη περιγραφή της διαδικασίας έγινε με την προϋπόθεση ότι η σχεδίαση όλη πραγματοποιήθηκε σε Si - BiCMOS τεχνολογία. Τεχνολογία SiGe BiCMOS 8

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Διπολικό Τρανζίστορ Σε Si-Ge BiCMOS τεχνολογία Παρόλα αυτά η συγκεκριμένη εργασία έχει μελετηθεί και σχεδιαστεί σε μια πιο εξελιγμένη τεχνολογία Si-Ge BiCMOS, σε κράμα Γερμανίου Πυριτίου δηλαδή. Στο Σχήμα (1.14) φαίνεται η εγκάρσια τομή ενός διπολικού τρανζίστορ σε αυτήν την τεχνολογία. Σχήμα 1.14 Εγκάρσια τομή διπολικού τρανζίστορ σε Si-Ge BiCMOS τεχνολογία Το τρανζίστορ Si-Ge έχει όμοια τεχνολογικά χαρακτηριστικά καθώς και παρόμοιο τρόπο κατασκευής με το συμβατικό διπολικό τρανζίστορ Si, εκτός από τη βάση. Όσον αφορά στην βάση γίνεται χρήση κράματος Si-Ge για την κατασκευή της, το οποίο έχει στενότερο ενεργειακό εύρος ζώνης (bandgap). Το Γερμάνιο Ge διαβαθμίζεται εγκάρσια 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 / cm. Αποτέλεσμα αυτής της διαβάθμισης, αποτελεί η υψηλή ταχύτητα και η υψηλή συχνότητα λειτουργίας. Το κέρδος του τρανζίστορ Si-Ge αυξάνεται επίσης σε σχέση με αυτό ενός BJT Si, 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 χαμηλότερο 1 f θόρυβο από ένα ταυτόσημα κατασκευασμένο BJT Si. Η υψηλότερη ταχύτητα μπορεί να αποτελέσει ισχύος. αντικείμενο διαπραγμάτευσης και για χαμηλότερη κατανάλωση Τεχνολογία SiGe BiCMOS 9

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Σύγκριση SiGe-BiCMOS Τρανζίστορ με Si συμβατικό Τρανζίστορ Τα τρανζίστορ SiGe-BiCMOS, ονομάζονται και τρανζίστορ ετεροεπαφής, HBT (Heterojunction Bipolar Transistor) τρανζίστορ.τα πλεονεκτήματα αλλά και τα αρνητικά στοιχεία που παρουσιάζει ένα SiGe-BiCMOS τρανζίστορ σε σχέση με ένα με Si τρανζίστορ περιγράφονται παρακάτω [6] : 1. 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. 2. 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 υψηλή ταχύτητα λειτουργίας ( τιμές συχνότητας αποκοπής f t πολύ υψηλότερες από εκείνες των συμβατικών τρανζίστορ σε τεχνολογια Si) και κέρδος σε χαμηλότερες τιμές ρεύματος, στοιχεία ευνοούν σημαντικά τα κυκλώματα κατανάλωσης χαμηλής ισχύος. που Γενικά στα διπολικά τρανζίστορ η f t δίνεται από τη σχέση f t 1 1 g m C eb Ccb b e c (1.1) Τεχνολογία SiGe BiCMOS 10

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 όπου g m : η διαγωγιμότητα C eb, C cb : οι χωρητικότητες επαφών εκπομπού - βάσης και συλλέκτη - βάσης b, e, c : οι χρόνοι μεταφοράς των φορέων μέσω της βάσης, εκπομπού και συλλέκτη. Μερικοί από τους λόγους που προκαλούν την αύξηση της f t είναι : Η υψηλή συγκέντρωση προσμίξεων στη βάση μειώνει την αντίσταση της βάσης και άρα μειώνει και το b, γεγονός που αυξάνει την f t. 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 ποσοστό των προσμίξεων 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. 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 επιταχύνονται πολύ πιο γρήγορα κατά μήκος της βάσης. b καθώς οι φορείς 3. Έχει βρεθεί πειραματικά ότι, η συχνοτική απόκριση του SiGe διπολικού τρανζίστορ είναι σημαντικά υψηλότερη του αντίστοιχου Si συμβατικού τρανζίστορ για μεγάλη περιοχή τιμών πόλωσης λειτουργίας. Συνεπώς ένα HBT μπορεί να λειτουργήσει σε περιοχή συχνοτήτων χαμηλότερα από τη μέγιστη, με σκοπό την εξοικονόμηση ενέργειας. f t 4. Η συχνότητα μοναδιαίου κέρδους ισχύος (Unity Power Gain Frequency) ή f max εξαρτάται εκτός από την απόδοση της διάταξης μέσω της f t και από τα παρασιτικά στοιχεία της διάταξης, όπως φαίνεται και από την ακόλουθη σχέση Τεχνολογία SiGe BiCMOS 11

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 f f t max (1.2) 8C cbrbb όπου C cb : η χωρητικότητα επαφής συλλέκτη-βάσης r bb : η αντίσταση της βάσης. 5. Η υψηλή συγκέντρωση προσμίξεων στη βάση, καθιστά τη μεταβολή του εύρους της λιγότερο ευαίσθητη, με την τάση. 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 bc V ASiGe, V ASi, gge, ( grade) gge, ( grade) kt 1 e kt e gge, ( grade) kt (1.3) με g, Ge( grade) g, Ge( xw ) b g, Ge( x0) (1.4) όπου V, : η τάση Early για τα SiGe HBTs και Si BJTs αντίστοιχα ASiGe, V ASi, k :1.38 x10 J -23 K η σταθερά του Boltzmann T : η απόλυτη θερμοκρασία σε o Κ g, Ge : το εύρος της απαγορευμένης ζώνης με το Ge να διαβαθμίζεται κατά μήκος της βάσης Καθώς λοιπόν το ποσοστό του γερμανίου (Ge) στο SiGe της βάσης αυξάνεται προς την πλευρά του συλλέκτη, η διαφορά στις συγκεντρώσεις προσμίξεων είναι μεγαλύτερη στην επαφή συλλέκτη βάσης, με αποτέλεσμα η περιοχή Τεχνολογία SiGe BiCMOS 12

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 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) 6. Αύξηση του κέρδους ρεύματος ενός SiGe HBT σε σχέση με μία ακριβώς αντίστοιχη δομή BJT, σύμφωνα με τη σχέση (2.5) J C, SiGe j C, Si SiGe Si kte 1 e g, Ge( grade) g, Ge(0) kt g, Ge( grade) kt (1.5) με C NV ( SiGe) (1.6) N N ( Si) C V όπου J,, : η πυκνότητα ρεύματος του συλλέκτη για τα SiGe HBT και Si C SiGe J C, Si BJT αντίστοιχα SiGe, Si : το κέρδος ρεύματος για τα SiGe HBT και Si BJT αντίστοιχα N C, N V : η ενεργός πυκνότητα των ενεργειακών σταθμών στις ζώνες αγωγιμότητας και σθένους αντίστοιχα Από την παραπάνω σχέση φαίνεται το ακόλουθο πλεονέκτημα από τη χρήση του HBT, καθώς αν μία εφαρμογή απαιτεί μεγάλη τιμή του, η συγκέντρωση προσμίξεων στη βάση μπορεί να γίνει υψηλότερη χωρίς να πέσει η τιμή του κέρδους, αφού το μπορεί να αυξηθεί εκθετικά αν αυξήσουμε το g, Ge( grade) 7. Ένα μειονέκτημα της δομής αυτής αποτελεί η χαμηλή τιμή κατάρρευσης της επαφής συλλέκτη-εκπομπού, πρόβλημα όμως που αντιμετωπίζεται άμεσα. Λαμβάνοντας λοιπόν υπόψη μας τα παραπάνω στοιχεία θα γίνει η σχεδίαση του συστήματος αυτής της εργασίας σε SiGe BiCMOS τεχνολογία. Τεχνολογία SiGe BiCMOS 13

22 14

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο Ανάλυση Θορύβου Διπολικού Τρανζίστορ Στην BiCMOS τεχνολογία Στο κεφάλαιο αυτό θα ασχοληθούμε με μια πολύ βασική έννοια, αυτή του θορύβου στα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Αναλυτικότερα θα δούμε πώς μοντελοποιείται η έννοια του θορύβου στο διπολικό τρανζίστορ στην BiCMOS τεχνολογία, καθώς επίσης θα γίνει και εκτενής μελέτη των πηγών θορύβου του και της συνεισφοράς τους στο συνολικό θόρυβο. 2.1 Βασικές Αρχές Θορύβου Σε Κυκλώματα Ο θόρυβος μπορεί με μια πρώτη προσέγγιση 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 [7]. Μπορεί να διακριθεί στις εξής κατηγορίες : 1. Θερμικός Θόρυβος (Thermal Noise) O θερμικός θόρυβος προκαλείται από την έντονη θερμική κίνηση δόνηση των φορέων φορτίου (ηλεκτρόνια ή οπές) σε έναν αγωγό και εμφανίζεται κατά την

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 τυχαία κίνησή τους μέσα στον αγωγό [7]. Προκαλεί μία τάση θορύβου η οποία, σύμφωνα με το θεώρημα του Nyquist, δίνεται από τη σχέση : 2 E th 3kTRf (Volt2) (2.1) Όπου k = Ws/k η σταθερά Boltzmann T = θερμοκρασία του αγωγού σε βαθμούς Kelvin Δf = εύρος του θορύβου (Noise Bandwidth) σε Ηz R = αντίσταση σε Οhm 2. Θόρυβος βολής (Shot Noise) Ο θόρυβος βολής εμφανίζεται στις λυχνίες κενού και στις επαφές ημιαγωγών, και αποδίδεται στην τυχαία εκπομπή ή έγχυση φορέων, ή στην τυχαία άφιξή τους στην άνοδο (ή το συλλέκτη) λόγω διαφορετικών αρχικών ταχυτήτων. Θόρυβος βολής δημιουργείται σε επαφές ημιαγωγών όταν ηλεκτρόνια που δημιουργούν ένα ρεύμα Ι dc διασχίζουν ένα φράγμα δυναμικού. Επειδή στις αντιστάσεις δεν δημιουργείται φράγμα δυναμικού, θόρυβος βολής εμφανίζεται μόνο σε ημιαγωγικές διατάξεις όπως δίοδοι και τρανζίστορ [7]. Η (rms) ενεργός τιμή του ρεύματος του θορύβου βολής δίνεται από τη σχέση (τύπος του Schottky): I Sh 2 qi f (2.2) DC Όπου q = q e = Cb I DC = συνεχές ρεύμα (Ampere) Δf = εύρος ζώνης του θορύβου (Noise Bandwidth) σε Ηz Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 16

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ /f θόρυβος (1/f ή flicker noise) Η βασική αιτία ύπαρξης του 1/f θορύβου στις διατάξεις ημιαγωγών σχετίζεται με τις ιδιότητες των υλικών στην επιφάνεια αυτών. Η δημιουργία και ο ανασυνδυασμός (p + και e - ) των φορέων στις ενεργειακές καταστάσεις της επιφάνειας, και η πυκνότητα των επιφανειακών καταστάσεων είναι σημαντικοί παράγοντες. Όσο καλή και αν είναι η τεχνολογία κατασκευής επεξεργασίας της επιφανείας (οπότε μειώνεται ο 1/f θόρυβος) στον χώρο, ανάμεσα στην επιφάνεια ημιαγωγού και του αναπτυσσόμενου οξειδίου υπάρχουν παγίδες φορέων που αποτελούν κέντρα δημιουργίας θορύβου [7]. Στις χαμηλές συχνότητες η ισχύς του είναι αντιστρόφως ανάλογη της συχνότητας (1/f ), ενώ για συχνότητες πάνω από μερικά khz η ισχύς του θορύβου είναι μικρή άλλα κατά βάση σταθερή (επίπεδη). Αυτός είναι και ο λόγος που ο flicker θόρυβος θέτει ένα πολύ σοβαρό εμπόδιο στην ακρίβεια των μετρήσεων στη περιοχή των χαμηλών συχνοτήτων [8]. Ο 1/f θόρυβος είναι αντιστρόφως ανάλογος της συχνότητας και δίνεται από τη σχέση: i 2 f K I n f a f (2.3) Όπου K = σταθερά Flicker Θορύβου I n = Μέση Τιμή Ρεύματος Δf = εύρος του θορύβου (Noise Bandwidth) σε Ηz α = παράμετρος του Hooge 4. Θόρυβος Βurst (Βurst Νoise) Ο θόρυβος burst παρουσιάζει ενεργειακό περιεχόμενο στις χαμηλές συχνότητες και φαίνεται να οφείλεται στις προσμίξεις ιόντων βαρέων μετάλλων. Η ισχύς του θορύβου αυξάνει με το ρεύμα πόλωσης και στις χαμηλές συχνότητες είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου (1/f 2 ) της συχνότητας [7]. Η φασματική πυκνότητα του θορύβου burst εκφράζεται από τη σχέση: Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 17

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 i 2 c I K f 2 f 1 fc (2.4) Όπου K = σταθερά ανάλογη της διάταξης I = Ρεύμα DC Δf = εύρος του θορύβου (Noise Bandwidth) σε Ηz c = σταθερά με τιμή μεταξύ 0,5 και 2 f c = συγκεκριμένη συχνότητα για συγκεκριμένο τρόπο παραγωγής θορύβου 2.2 Σημαντικότερες Πηγές Θορύβου στην BiCMOS τεχνολογία Στο κομμάτι αυτό θα δούμε πώς επηρεάζει το κομμάτι του θορύβου τα τρανζίστορ που κατασκευάζονται στην σύνθετη τεχνολογία SiGe BiCMOS, δηλαδή τα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) και τα διπολικά τρανζίστορ (BJT), αντίστοιχα [7]. Οι πηγές θορύβου σε ένα MOS τρανζίστορ είναι: 1. Θερμικός θόρυβος του καναλιού (Channel Thermal Noise) 2. 1/f θόρυβος (1/f ή Flicker Noise) 3. Θόρυβος στην πύλη του MOSFET (Gate Induced Noise). 4. Θόρυβος υποστρώματος λόγω της ανομοιόμορφης κατανομής της αντίστασής του (Substrate Resistance Noise) 5. Θόρυβος βολής (Shot Noise) που σχετίζεται με τα ρεύματα διαρροής στις ανάστροφα πολωμένες επαφές PN στον απαγωγό (drain) και στην πηγή (source). Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 18

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Οι πηγές θορύβου σε ένα BJT τρανζίστορ είναι: 1. 1/f θόρυβος (1/f ή Flicker Noise) στο ρεύμα της βάσης I Β 2. Θόρυβος βολής (Shot Noise) που παρουσιάζεται στο ρεύμα του συλλέκτη Ι C καθώς και στο ρεύμα της βάσης I Β 3. Θόρυβος Burst (Burst Noise) στο ρεύμα της βάσης I Β 4. Θερμικός θόρυβος που παρουσιάζεται στις αντιστάσεις της βάσης R B και του συλλέκτη R C 2.3 Μοντελοποίηση Θορύβου Στο Διπολικό Τρανζίστορ (Si-Ge BiCMOS) Θεωρία Δίθυρου Θόρυβος Στο σημείο αυτό θα γίνει μια περιγραφή του μοντέλου και του ισοδύναμου κυκλώματος θορύβου του διπολικού τρανζίστορ στην τεχνολογία που θα σχεδιαστεί το σύστημα ανάγνωσης ακτινοβολίας της εργασίας αυτής. Ό βασικός λόγος της προσέγγισης αυτής είναι ότι στην είσοδο της διάταξης θα τοποθετηθεί διπολικό τρανζίστορ, για λόγους οι οποίοι θα αναλυθούν σε επόμενα κεφάλαια, οπότε λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι ο θόρυβος αποτελεί πολύ κρίσιμη παράμετρο σχεδίασης, θα πρέπει κάποιος να είναι σε θέση να γνωρίζει απόλυτα κάθε επιμέρους πηγή θορύβου του διπολικού καθώς και το ποσοστό συνεισφοράς τους στον συνολικό θόρυβο [9]. Η τεχνολογία που θα γίνει όλη η σχεδίαση του συστήματος είναι η 0.35μm Si-Ge BiCMOS της AMS. Όποτε και η ανάλυση που ακολουθεί βασίζεται στις παραμέτρους και τους κανόνες σχεδίασης της συγκεκριμένης τεχνολογίας. Το μοντέλο που θα χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση του θορύβου είναι το VBIC (Vertical Bipolar Intercompany Model) [10]. Ξεκινώντας την ανάλυση πρέπει να δούμε αρχικά βασικές αρχές μοντελοποίησης θορύβου γενικά σε ένα δίθυρο με είσοδο και έξοδο. Στο σχήμα 2.1 που ακολουθεί παρουσιάζεται χαρακτηριστικά ένα δίθυρο στο οποίο φαίνονται χαρακτηριστικά πηγές θορύβου καθώς και τα φορτία οδήγησης και εξόδου αντίστοιχα. Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 19

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Σχήμα 2.1 Μοντέλο Θορυβώδους διθύρου Αναλυτικότερα όπως παρατηρούμε όλες οι πηγές θορύβου του δίθυρου έχουν αντικατασταθεί από δύο πηγές, μια τάσης V A μια ρεύματος Ι Α, συσχετισμένες μεταξύ τους και συνδεδεμένες στην είσοδο του δίθυρου [11]. Θεωρούμε επιπλέον ότι η σύνθετη αγωγιμότητα του φορτίου εξόδου Y L είναι ιδανική και δεν συνεισφέρει σε θόρυβο, αντίθετα με τη σύνθετη αγωγιμότητα του φορτίου οδήγησης Y S του οποίου το πραγματικό μέρος παράγει θερμικό θόρυβο με φασματική πυκνότητα που δίνεται από τον τύπο : (2.5) Στο σημείο αυτό πρέπει να γίνει αναφορά στην έννοια του παράγοντα θορύβου F ( Noise Factor F ). Η παράμετρος αυτή ορίζεται σαν το πηλίκο της συνολικής ισχύς του θορύβου στην έξοδο προς την φασματική πυκνότητα του θερμικού θορύβου που είδαμε μόλις πριν, σχέση 2.1. Ο παράγοντας θορύβου δίνεται από τη σχέση 2.2 : (2.6) Περαιτέρω ανάπτυξη και πράξεις της σχέσης (2.2) μας οδηγεί σε μια αναλυτική έκφραση για τον παράγοντα θορύβου, που δίνεται από τη σχέση (2.3) : Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 20

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 (2.7) Όπου : F min : Ελάχιστος παράγοντας θορύβου G Sopt : Πραγματικό μέρος της βέλτιστης σύνθετης αγωγιμότητας της πηγής Υ Sopt B Sopt : Φανταστικό μέρος της βέλτιστης σύνθετης αγωγιμότητας της πηγής Υ Sopt R n : Αντίσταση θορύβου Τέλος πρέπει να γίνει αναφορά στην παράμετρο NF ( Noise Figure ) που δεν είναι τίποτε παραπάνω από τον παράγοντα θορύβου, εκφρασμένο σε ντεσιμπέλ (db) και δίνεται από τη σχέση - (2.4). (2.8) Ισοδύναμο Κύκλωμα Θορύβου Διπολικού Τρανζίστορ ( Si-Ge BiCMOS) Για την περιγραφή και ανάλυση θορύβου σε ένα NPN διπολικό τρανζίστορ της τεχνολογίας που μελετάμε, θεωρούμε το τρανζίστορ σαν ένα γενικευμένο δίθυρο και χρησιμοποιoύμε το μοντέλο VBIC. Ο θόρυβος στην συγκεκριμένη ανάλυση περιγράφεται από ανεξάρτητες πηγές θορύβου όπως παρουσιάζεται και στο σχήμα (2.4). Πιο συγκεκριμένα οι πηγές θορύβου αποτελούνται από ανεξάρτητες πηγές ρεύματος. Στον πίνακα (2.2) παρουσιάζονται οι φασματικές πυκνότητες ρεύματος κάθε πηγής χωριστά καθώς και οι μαθηματικοί τύποι που υπολογίζονται. Στους τύπους όπου KFN, AFN και BFN, εννοούμε τις παραμέτρους του θορύβου Flicker που καθορίζονται από την τεχνολογία. Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 21

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 S C irs RS CBCO ircx RCX iiccp iibep Qbcp RBp irbp irci RCI Qbep Qbcx B irbx RBx irbi RBi Qbc Qbe iitzf Qbex iibex iibe ire RE CBEO E Σχήμα 2.2 Ισοδύναμο κύκλωμα του VBIC SPICE μοντέλου με πηγές θορύβου Όπου : irbx, ircx, ire, irs, irbp, irci, irbi : Πηγές θερμικού θορύβου αντιστάσεων iibe, iibep, iicc, iiccp : Πηγές θορύβου βολής αντίστοιχων ρευμάτων iibe, iibep : Πηγές Flicker Θορύβου αντίστοιχων ρευμάτων Το τρανζίστορ που θα χρησιμοποιηθεί στην εργασία αυτή είναι το to NPN-254 της 0.35μm SiGe BiCMOS της AMS όπως αναφέρθηκε και πιο πριν. Στον πίνακα (2.1) που ακολουθεί παρουσιάζονται οι τρεις σταθερές για τον Flicker θόρυβο για το συγκεκριμένο τρανζίστορ. Πίνακας 2.1 Σταθερές Flicker Θορύβου Για το NPN-254 Διπολικό Τρανζίστορ AFN KFN BFN NPN e Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 22

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ενώ στον πίνακα (2.2) που ακολουθεί παρουσιάζονται αναλυτικά οι φασματικές πυκνότητες των ρευμάτων που αντιστοιχούν σε κάθε πηγή ξεχωριστά και που συνεισφέρουν στον θόρυβο [11]. Πίνακας 2.2 Φασματικές Πυκνότητες Ρευμάτων Πηγών Θορύβου Φασματικές Πυκνότητες Αλγεβρικοί Τύποι Υπολογισμού Φασματικών πυκνοτήτων Θορύβου Είδος Θορύβου 2 iitzf 2 tzf qi Θόρυβος Βολής Ρεύματος Συλλέκτη 2 iiccp 2qI ccp 2 iibe 2qI K I BFN f AFN be FN be Θόρυβος Βολής Ρεύματος Παρασιτικής Επαφής pnp Συλλέκτη Θόρυβος Flicker + Βολής Ρεύματος Βάσης 2 iibex 2 iibep 2qI K I BFN f AFN bex FN bex 2qI K I AFN bep FN bep BFN f Θόρυβος Flicker + Βολής Πλευρικού Ρεύματος Βάσης Θόρυβος Flicker + Βολής Ρευματος Παρασιτικής Επαφής pnp Βάσης 2 iirbx 4kTIrbxV rbx 2 iirbi 4kTIrbiV rbi 2 ii Re 4kTIreV re 2 iirci 4kTIrciV rci 2 iircx 4kTIrcxV rcx 2 iirbp 4kTIrbpV rbp 2 iirs 4kTIrsV rs Θερμικός Θόρυβος Εξωτερικής Αντίστασης Βάσης Θερμικός Θόρυβος Εσωτερικής Αντίστασης Βάσης Θερμικός Θόρυβος Εκπομπού Θερμικός Θόρυβος Εσωτερικής Αντίστασης Συλλέκτη Θερμικός Θόρυβος Εξωτερικής Αντίστασης Συλλέκτη Θερμικός Θόρυβος Αντίστασης Παρασιτικής Επαφής pnp Βάσης Θερμικός Θόρυβος Αντίστασης Υποστρώματος Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 23

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Προσομοίωση Πηγών Θορύβου Διπολικού Τρανζίστορ Όπως προείπαμε το τρανζίστορ που θα χρησιμοποιηθεί στην εργασία αυτή είναι το to NPN-254 της 0.35μm SiGe BiCMOS της AMS. Χρησιμοποιώντας τα προγράμματα HSPICE της Synopsis για τις προσομοιώσεις καθώς και το πρόγραμμα ORIGIN για την επεξεργασία των δεδομένων κάνουμε τα εξής. Γίνεται μελέτη σε μια προς μια στις πηγές θορύβου, με βάση το μοντέλο που προαναφέραμε και το συμπέρασμα που καταλήγουμε είναι για το ποια πηγή κυριαρχεί και συνεισφέρει περισσότερο στον θόρυβο. Πιο συγκεκριμένα για τον χαρακτηρισμό του BJT προσδιορίζεται η χαρακτηριστική εξόδου του σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού. Το κύκλωμα που σχεδιάσαμε περιλάμβανε μία DC πηγή συνδεδεμένη στον ακροδέκτη του συλλέκτη ( V 1,65V ) μέσω μιας αντίστασης ( R C 1K) και μια πηγή ( b C τάσης V 1V ) στον ακροδέκτη της βάσης ικανή να πολώσει το τρανζίστορ Σχήμα (2.2), από όπου πήραμε την AC απόκριση του στο σχήμα (2-3) : Σχήμα 2.2 Κύκλωμα για τη λήψη AC Αποκρίσεων στο Hspice Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 24

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Σχήμα 2.3 Συχνοτική απόκριση του διπολικού τρανζίστορ ετεροεπαφής npn254 Πιο συγκεκριμένα με τη βοήθεια του προγράμματος HSPICE και με την εντολή.noise πραγματοποιούμε ανάλυση θορύβου σε ένα εύρος συχνοτικό από 1Hz μέχρι 1MHz παίρνοντας αρκετά μεγάλο αριθμό σημείων και καταγράφοντας σε κάθε συχνότητα τη φασματική πυκνότητα θορύβου κάθε πηγής θορύβου. Σχήμα (2.4) : Σχήμα 2.4 Φασματικές Πυκνότητες Ρευμάτων Πηγών Θορύβου Στα σχήματα που ακολουθούν παρουσιάζονται οι φασματικές πυκνότητες θορύβου των βασικών πηγών θορύβου ξεχωριστά : Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 25

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2 iircx 4kTIrcxV rcx Θερμικός Θόρυβος Εξωτερικής Αντίστασης Συλλέκτη Σχήμα iiccp 2qI ccp Διάγραμμα Φασματικής Πυκνότητας Θερμικού Θορύβου Εξωτερικής Αντίστασης Βάσης Θόρυβος Βολής Ρεύματος Παρασιτικής Επαφής pnp Συλλέκτη Σχήμα 2.6 Διάγραμμα Φασματικής Πυκνότητας Θορύβου Βολής Παρασιτικής Επαφής pnp Συλλέκτη Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 26

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2 ii Re 4kTIreV re Θερμικός Θόρυβος Εκπομπού Σχήμα 2.7 Διάγραμμα Φασματικής Πυκνότητας Θερμικού Θορύβου Αντίστασης Εκπομπού 2 iibe 2qI K I BFN f AFN be FN be Θόρυβος Flicker + Βολής Ρεύματος Βάσης Σχήμα 2.8 Διάγραμμα Φασματικής Πυκνότητας Θορύβου Βολής και Flicker Ρεύματος Βάσης Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 27

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2 iiccp 2qI ccp Θόρυβος Βολής Ρεύματος Παρασιτικής Επαφής pnp Συλλέκτη 2 iibe Σχήμα 2.9 Διάγραμμα Φασματικής Πυκνότητας Θορύβου βολής Ρεύματος Συλλέκτη 2qI K I BFN f AFN be FN be Θόρυβος Flicker + Βολής Ρεύματος Βάσης Σχήμα 2.10 Διάγραμμα Φασματικής Πυκνότητας Θορύβου Flicker Ρεύματος Βάσης Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 28

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2 iirs 4kTIrsV rs Θερμικός Θόρυβος Αντίστασης Υποστρώματος Σχήμα iirbp 4kTIrbpV rbp Διάγραμμα Φασματικής Πυκνότητας Θερμικού Θορύβου Αντίστασης Υποστρώματος Θερμικός Θόρυβος Αντίστασης Παρασιτικής Επαφής pnp Βάσης Σχήμα 2.12 Διάγραμμα Φασματικής Πυκνότητας Θερμικού Θορύβου Αντίστασης Παρασιτικής Επαφής pnp Βάσης Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 29

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2 iirci 4kTIrciV rci Θερμικός Θόρυβος Εσωτερικής Αντίστασης Συλλέκτη Σχήμα 2.13 Διάγραμμα Φασματικής Πυκνότητας Θερμικού Θορύβου Εσωτερικής Αντίστασης Συλλέκτη 2 iirbi 4kTIrbiV rbi Θερμικός Θόρυβος Εσωτερικής Αντίστασης Βάσης Σχήμα 2.14 Διάγραμμα Φασματικής Πυκνότητας Θερμικού Θορύβου Εσωτερικής Αντίστασης Βάσης Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 30

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2 iibep 2qI K I AFN bep FN bep BFN f Θόρυβος Flicker + Βολής Ρευματος Παρασιτικής Επαφής pnp Βάσης Σχήμα 2.15 Διάγραμμα Φασματικής Πυκνότητας Θορύβου Flicker Ρεύματος Παρασιτικής Επαφής pnp Βάσης 2 iibex 2qI K I BFN f AFN bex FN bex Θόρυβος Flicker + Βολής Πλευρικού Ρεύματος Βάσης Σχήμα 2.16 Διάγραμμα Φασματικής Πυκνότητας Θόρυβο Flicker + Βολής Πλευρικού Ρευματος Βάσης Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 31

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Σχήμα 2.17 Διάγραμμα Φασματικής Πυκνότητας Συνολικού Θορύβου Στην Εξοδο του Τρανζιστορ Για να μπορέσουμε να συγκρίνουμε τις συνεισφορές κάθε πηγής θορύβου ξεχωριστά πρέπει αρχικά να ολοκληρώσουμε τις παραπάνω καμπύλες στο συχνοτικό εύρος από 1Hz μέχρι 1ΜHz με τη βοήθεια του προγράμματος ORIGIN και στη συνέχεια βρίσκοντας τις ενεργές τιμές (rms) να καταλήξουμε σε κάποια συμπεράσματα. Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 32

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Τα συμπεράσματα αυτά φαίνονται στον πίνακα (2.3) : Πίνακας 2.3 Ενεργές (rms) Τιμές Θορύβου κάθε πηγής ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑ ΤΕΤΡΑΓΏΝΙΚΗ ΡΙΖΑ ΕΝΕΡΓΟΣ ΤΥΠΟΣ ΘΟΡΎΒΟΥ ΚΑΜΠΥΛΗΣ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΑΤΟΣ ΤΙΜΗ (rms) ΟΝΟΜΑΣΙΑ (Volt 2 ) (Volt) (Volt) r cx 5,61 pv 2 2,36 μv 1,67 μv Θερμικός Θόρυβος Εξωτερικής Αντίστασης Βάσης r e 0,243 pv 2 0,492 μv 0,348 μv Θερμικός Θόρυβος Εκπομπού i be 1,83 μv 2 1,3 mv 0,9 mv i cc 31,8 pv 2 5,6 μv 3,9 μv i bfn 2,28 μv 2 1,5 mv 1,06 mv r s 0 V 2 0 V 0 V r bp 5,59 pv 2 2,3 μv 1,6 μv r ci 5,09 pv 2 2,25 μv 1,59 μv r bi 1,06 pv 2 1,02 μv 0,73 μv i bep 1,24 * V 2 0,11 nv 78 pv i bepfn 1,54 * V 2 0,124 nv 87 pv Total 7,2 μv 2 2,68 mv 1,9 mv Θόρυβος Βολής Ρεύματος Βάσης Θόρυβος Βολής Ρεύματος Συλλέκτη Θόρυβος Flicker Ρεύματος Βάσης Θερμικός Θόρυβος Αντίστασης Υποστρώματος Θερμικός Θόρυβος Αντίστασης Παρασιτικής Επαφής pnp Βάσης Θερμικός Θόρυβος Εσωτερικής Αντίστασης Συλλέκτη Θερμικός Θόρυβος Εσωτερικής Αντίστασης Βάσης Θόρυβος Βολής Ρευματος Παρασιτικής Επαφής pnp Βάσης Θόρυβος Flicker Ρευματος Παρασιτικής Επαφής pnp Βάσης Συνολικός Θόρυβος Τρανζίστορ Με βάση τον τελευταίο πίνακα (2.3) και συγκεκριμένα τις τελικές ενεργές τιμές θορύβου κάθε πηγής μπορούμε να διαπιστώσουμε στο συχνοτικό φάσμα από 1Hz μέχρι 1ΜHz, που θα είναι και το εύρος λειτουργίας της εφαρμογής και συγκεκριμένα του τρανζίστορ που μελετάμε, ποιες πηγές συνεισφέρουν στο συνολικό θόρυβο ισχυρά, ποιες όχι και με τι ποσοστό κάθε μια. Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 33

42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Σχήμα 2.18 Κατανομή θορύβου (rms) ανά πηγή Σχήμα 2.19 Ποσοστιαία κατανομή Θορύβου επί του Συνόλου Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 34

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Τα συμπεράσματα που μπορούμε να καταλήξουμε με βάση τα αποτελέσματα και με βάση τον πίνακα (2.2) και τα σχήματα (2.18),(2.19) για τη συνεισφορά της κάθε πηγής στο συνολικό θόρυβο είναι τα εξής : Ο συνολικός θόρυβος κυριαρχείται από τους επιμέρους θορύβους, θερμικό και Flicker, του ρεύματος βάσης καθώς και από το θόρυβο βολής του ρεύματος του συλλέκτη. Στην ενδιάμεση θέση συνεισφοράς βρίσκονται, ο θερμικός θόρυβος εξωτερικής αντίστασης βάσης και παρασιτικής αντίστασης βάσης καθώς και ο θερμικός θόρυβος εσωτερικής αντίστασης συλλέκτη. Ακολουθούν με αρκετά μικρότερη συνεισφορά ο θερμικός θόρυβος εκπομπού και εσωτερικής αντίστασης βάσης. Τέλος σε συνεισφορά, μικρότερη κατά δύο τάξεις μεγέθους, ακολουθεί o θόρυβος βολής και flicker της παρασιτικής επαφής pnp της βάσης ενώ σχεδόν μηδενικό αποτέλεσμα παρουσιάζει ο θερμικός θόρυβος αντίστασης υποστρώματος. Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 35

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Μοντελοποίηση Θορύβου Στην BiCMOS Τεχνολογία 36

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο Σύστημα Ανάγνωσης Ακτινοβολίας 3.1 Βασικές Αρχές Συστήματος Ανάγνωσης Ακτινοβολίας Το συνολικό κύκλωμα του συστήματος ανάγνωσης και μέτρησης ενέργειας της ακτινοβολίας περιλαμβάνει έναν αισθητήρα, έναν προενισχυτή και ένα διαμορφωτή παλμών [11], με το μπλοκ διάγραμμα να παρουσιάζεται στο σχήμα (3.1) Pulse processing Unit Σχήμα 3.1 Μπλόκ Διάγραμμα του συστήματος ανίχνευσης ακτινοβολίας. Συγκεκριμένα, ακτινοβολία προσπίπτει σε αισθητήρα ακτινοβολίας (ανάστροφα πολωμένη δίοδος), έχοντας σαν άμεσο αποτέλεσμα τη δημιουργία ζευγών ηλεκτρονίων (e - ) και οπών (p), των οποίων ο αριθμός είναι ανάλογος της Σύστημα ανάγνωσης ακτινοβολίας

46 Κεφάλαιο 3 ενέργειας της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Ακολουθεί προενισχυτής ο οποίος και ολοκληρώνει (μέσω μικρής χωρητικότητας C f ) 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 για να μεγιστοποιηθεί ο λόγος του σήματος προς τον θόρυβο (S/N), καθώς οδηγείται σε ειδικές μονάδες για περαιτέρω επεξεργασία και μέτρηση. 3.2 Περιγραφή Αισθητήρα Οι αισθητήρες ημιαγωγού (Si, Ge), χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση στοιχειωδών σωματίων και για την καταμέτρηση της ενέργειας τους. Η καταλληλότητα του αισθητήρα κρίνεται από την ικανότητα του να διακρίνει το σήμα (που προέρχεται από την πρόσκρουση σωματίου σε αυτόν) από οποιαδήποτε άλλα σήματα θορύβου. Το σήμα εξόδου του αισθητήρα είναι ένας αριθμός φορτίων ο οποίος εξαρτάται από [11]: την ενέργεια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας το υλικό κατασκευής (Si, Ge) το μέγεθος του αισθητήρα. Ο αριθμός των φορτίων Q που παράγονται στον αισθητήρα δίνονται από τη σχέση : 6 E e 10 Q (3.1) όπου, Ε : 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 Οι ανιχνευτές ημιαγωγού μπορούν να θεωρηθούν λειτουργικά όμοιοι με τους θαλάμους ιονισμού, όπου το αέριο του θαλάμου έχει αντικατασταθεί από ένα ημιαγώγιμο στερεό. Η ανάπτυξη της τεχνικής τους εμφανίζει ιδιαίτερα Σύστημα ανάγνωσης ακτινοβολίας 38

47 Κεφάλαιο 3 πλεονεκτήματα στο πεδίο των ανιχνευτών ακτινοβολίας σε σχέση με τους ανιχνευτές αερίου, για τους εξής λόγους : μικρό και ευκολόχρηστο σχήμα και μέγεθος μικρό χρόνο ανύψωσης των παλμών εξόδου (nsec) γραμμική απόκριση σε ευρύ ενεργειακό φάσμα πολύ καλή ενεργειακή διακριτική ικανότητα O παλμός των φορτίων που παράγεται στην έξοδο του αισθητήρα έχει πολύ μικρή χρονική διάρκεια και περιέχει πληροφορίες για την ενέργεια και το είδος των σωματιδίων που προσπίπτουν σε αυτόν. 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 στο σχήμα (3.2). Σχήμα 3.2 Μοντελοποίηση αισθητήρα από πηγή ρεύματος Dirac-παράλληλα συνδεδεμένη με χωρητικότητα Σύμφωνα με το 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 Προενισχυτή Ο προενισχυτής αποτελεί το κύκλωμα εισόδου για το σήμα που παράγεται από τον αισθητήρα προς τις υπόλοιπες μονάδες του συστήματος. Οι προενισχυτές είναι κυκλώματα με μικρό θόρυβο, απομονώνουν το σήμα Σύστημα ανάγνωσης ακτινοβολίας 39

48 Κεφάλαιο 3 εξόδου του ανιχνευτή από την υψηλή τάση τροφοδοσίας, και διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες : Προενισχυτές τάσης Προενισχυτές ρεύματος Προενισχυτές φορτίου Προενισχυτής Τάσης. Ο τύπος αυτού του προενισχυτή παράγει στην έξοδο του έναν παλμό τάσης, ανάλογο με το φορτίο Q που ελευθερώνεται από τον αισθητήρα. Οι προενισχυτές τάσης εμφανίζουν μεγάλη αντίσταση εισόδου, ενώ παρουσιάζουν μια πολύ μικρή αντίσταση εξόδου, κατάλληλη για να οδηγηθεί το σήμα εξόδου τους στον shaper. Εμφανίζουν ιδιαίτερη ευαισθησία σε αλλαγές στη χωρητικότητα των καλωδίων διασύνδεσης τους με τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά του συστήματος και εξαιτίας της μεγάλης αντίστασης εισόδου τους, είναι πολύ πιθανό να επηρεαστεί η χαμηλή συχνότητα απόκρισής τους. Οι προενισχυτές αυτοί είναι κατάλληλοι για ανιχνευτές σπινθηρισμών, έχουν χαμηλό κόστος και εμφανίζουν μεγάλη αξιοπιστία, αφού περιέχουν λιγότερα στοιχεία και είναι εύκολο να κατασκευαστούν. Δεν χρησιμοποιούνται ιδιαίτερα με αισθητήρες ημιαγωγικής φύσης (Si, Ge) γιατί το κέρδος τους εξαρτάται από τη χωρητικότητα C d του αισθητήρα, η μεταβολή της οποίας μπορεί να οδηγήσει σε ανακριβή αποτελέσματα. Προενισχυτής ρεύματος. Ο τύπος αυτού του προενισχυτή μετατρέπει τους παλμούς ρεύματος σε παλμούς τάσης, ενώ παρουσιάζει μικρή αντίσταση εισόδου. Με την ενίσχυση του σήματος κατά αυτόν τον τρόπο ο παλμός δε μεταβάλλεται κατά πλάτος. Γίνεται όμως εύχρηστος, γιατί εφ' όσον η ισχύς του έχει ενισχυθεί : Μεταφέρεται στον κυρίως ενισχυτή χωρίς ιδιαίτερες απώλειες Υπάρχει η δυνατότητα να χρησιμοποιήσουμε μικρή αντίσταση εξόδου στον προενισχυτή (περίπου 100 Ω). Έτσι αποφεύγονται οι ανακλάσεις του σήματος μεταξύ προενισχυτή και ενισχυτή, ενώ παράλληλα Σύστημα ανάγνωσης ακτινοβολίας 40

49 Κεφάλαιο 3 διευκολύνεται η προσαρμογή των κυκλωματικών στοιχείων του ανιχνευτή με τον κυρίως ενισχυτή. Ωστόσο, η χρήση προενισχυτών ρεύματος αποφεύγεται, διότι δεν εμφανίζουν καλή συμπεριφορά ως προς το θόρυβο. Προενισχυτής φορτίου (CSA-Charge Sensitive Amplifier). Ο τύπος αυτού του προενισχυτή είναι αρκετά διαδεδομένος στην υλοποίηση συστημάτων μέτρησης ακτινοβολίας. Σχήμα (3.3) Σχήμα 3.3 Τυπική υλοποίηση προενισχυτή φορτίου Το φορτίο 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 ιδανικά, ο χρόνος ανόδου του παλμού εξόδου είναι ίσος με το πλάτος παλμού ρεύματος του ανιχνευτή. Το πλάτος παλμού τάσης V 0 στην έξοδο του για φορτίο εισόδου Q καθώς και η σταθερά χρόνου που καθορίζει το χρόνο ανόδου του παλμού εξόδου είναι : όπου Q : το φορτίο εξόδου του ανιχνευτή R f : η αντίσταση ανάδρασης C f : η χωρητικότητα ανάδρασης Q VO f R f C f (3.2) C f Σύστημα ανάγνωσης ακτινοβολίας 41

50 Κεφάλαιο 3 Ο τύπος του προενισχυτή φορτίου χρησιμοποιείται σε μεγαλύτερο ποσοστό από ότι οι άλλοι δύο τύποι που προαναφέραμε, κυρίως λόγω της πολύ καλύτερης συμπεριφοράς τους ως προς το θόρυβο, με την προϋπόθεση όμως να βρίσκεται σε κοντινή απόσταση από τον ανιχνευτή. 3.4 Περιγραφή Μορφοποιητή (Shaper) Η ενίσχυση του πλάτους των παλμών που λαμβάνονται από την έξοδο του προενισχυτή γίνεται από το φίλτρο μορφοποίησης. Το κύκλωμα αυτό παρουσιάζει ζωνοπερατή συνάρτηση μεταφοράς βελτιστοποιώντας το λόγο σήματος προς θόρυβο και πραγματοποιεί μορφοποίηση στο σήμα προκειμένου να μεταβιβαστεί στα επόμενα στάδια επεξεργασίας [12]. Οι λόγοι για τους οποίους επιχειρούμε μορφοποίηση των παλμών είναι βασικά τρεις : Για την αποφυγή αλληλεπικάλυψης διαδοχικών παλμών. Τo αποτέλεσμα της ανίχνευσης ενός γεγονότος πρέπει να εξαλειφθεί μέσα σε χρόνο μικρότερο από το χρονικό διάστημα μεταξύ δύο διαδοχικών παλμών. Ο χρόνος αυτός πρέπει να είναι τέτοιος, ώστε να μην χάνεται η πληροφορία της ανίχνευσης. Αν ο χρόνος αυτός δε είναι ο κατάλληλος και είναι μεγαλύτερος, οι παλμοί θα επικαλύπτονται με αποτέλεσμα να προκύπτουν λάθη στην εκτίμηση του πλάτους και επαναπροσδιορισμό της πληροφορίας. Για τη βελτίωση του λόγου σήματος/θόρυβο. Οι 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/θόρυβο, ενώ παράλληλα βελτιώνεται η διακριτική ικανότητα του συστήματος. Σύστημα ανάγνωσης ακτινοβολίας 42

51 Κεφάλαιο 3 Για τη διευκόλυνση της επεξεργασίας των δεδομένων. Αφού ο αρχικός παλμός μορφοποιηθεί στον κυρίως ενισχυτή, είναι αναγκαίο να μορφοποιηθεί στο κατάλληλο σχήμα, για να μπορέσει να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις ενός συστήματος επεξεργασίας δεδομένων. Οι τρόποι με τους οποίους μπορούμε γενικά να μορφοποιήσουμε έναν παλμό είναι οι εξής : Διαφόριση. Αυτή επιτυγχάνεται με κύκλωμα CR το οποίο και επηρεάζει το τμήμα πτώσης του παλμού. Ολοκλήρωση. Αυτή επιτυγχάνεται με κύκλωμα RC και επηρεάζει το τμήμα ανόδου του παλμού Μια τυπική υλοποίηση ενός μορφοποιητή γίνεται με ένα δίκτυο διαφοριστών και ολοκληρωτών. Σχήμα (3.4) Σχήμα 3.4 Τυπικό κύκλωμα μορφοποιητή Με τη χρήση διαφοριστών περιορίζουμε τις συνιστώσες χαμηλών συχνοτήτων της κυματομορφής. Αντίθετα με τους ολοκληρωτές περιορίζουμε τις αρκετά υψηλές συχνότητες. Στην πράξη δε χρησιμοποιούμε ούτε RC ολοκλήρωση ούτε CR διαφόριση αλλά ένα συνδυασμό τους. To εύρος ζώνης BW = f 2 -f 1 του ενισχυτή εξαρτάται άμεσα από τις σταθερές χρόνου των ολοκληρωτών και των διαφοριστών. Από το παραπάνω σχήμα έχουμε: f & f 2 (3.3) 2R C 2R C Σύστημα ανάγνωσης ακτινοβολίας 43

52 Κεφάλαιο 3 όποτε και BW = f 2 - f 1 (3.4) H τάση εξόδου του μορφοποιητή για βηματική είσοδο πλάτους V i τη χρονική στιγμή t = 0 είναι: V OUT R1C 1 t / R ( 1 C t / R C AVi e e ) (3.5) R C R C Α = dc ενίσχυση τάσης του κυκλώματος. 3.5 Παράμετροι Επίδοσης Συστημάτων Ανάγνωσης Ακτινοβολίας Στη συνέχεια περιγράφονται συνοπτικά οι κυριότερες προδιαγραφές λειτουργίας των συστημάτων ανίχνευσης ακτινοβολίας και τα χαρακτηριστικά που προσδιορίζουν την επίδοση του συστήματος και κατ επέκταση το βέλτιστο σχεδιασμό του, καθώς επίσης και οι προδιαγραφές της συγκεκριμένης υλοποίησης που παρουσιάζεται στην εργασία αυτή [13]. Τα στοιχεία εκείνα που καθορίζουν την επίδοση ενός συστήματος είναι ονομαστικά : 1. Χωρητικότητα Ανιχνευτή (Detector Capacitance) 2. Απόδοση Θορύβου (Noise Performance) 3. Δυναμική Περιοχή (Dynamic Range DR) 4. Κέρδος (Gain) 5. Χρόνος Κορύφωσης (Peaking Time) και επαναφοράς 6. Ρεύμα διαρροής του Ανιχνευτή (Detector Leakage Current) 7. Ρυθμός Άφιξης Γεγονότων (Event rate) 8. Γραμμικότητα (Linearity) 9. Κατανάλωση Ισχύος (Power Consumption) Σύστημα ανάγνωσης ακτινοβολίας 44

53 Κεφάλαιο 3 Αναλυτικότερα για κάθε παράμετρο : Προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η συμπεριφορά κυκλωμάτων ανάγνωσης και να ελαχιστοποιηθεί ο συνολικός θόρυβος, πρέπει να ταιριαστεί κατάλληλα η χωρητικότητα του στοιχείου εισόδου με την χωρητικότητα του ανιχνευτή. Ο θόρυβος των ηλεκτρονικών ανάγνωσης στην έξοδο του συστήματος ανάγνωσης πρέπει να είναι μικρότερος από ένα συγκεκριμένο - δεδομένο όριο. Το όριο αυτό επιβάλλεται από την εφαρμογή ώστε να μπορεί να διαχωριστεί με ακρίβεια το χρήσιμο σήμα από τον θόρυβο. Η δυναμική περιοχή εκφράζει το εύρος τιμών του φορτίου εισόδου που παράγει ο ανιχνευτής στερεάς κατάστασης, το οποίο είναι ανάλογο με την ενέργεια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Το κέρδος εκφράζει πόσες φορές θα ενισχύσει το σήμα εισόδου η ακολουθία των κυκλωμάτων ανάγνωσης. Συνδέεται άμεσα με την δυναμική περιοχή της εφαρμογής, το επίπεδο θορύβου αλλά και την τεχνολογία υλοποίησης. Ο χρόνος κορύφωσης ορίζεται το χρονικό εκείνο σημείο μετά την διέγερση του ανιχνευτή, στο οποίο το αναλογικό σήμα εξόδου των ηλεκτρονικών ανάγνωσης φτάνει στην μέγιστη τιμή του. Ως χρόνος επαναφοράς ορίζεται το χρονικό εκείνο διάστημα που χρειάζεται το σήμα ώστε να επανέλθει μετά από μια διέγερση στην στάθμη ηρεμίας ώστε το κανάλι να είναι έτοιμο να δεχτεί το επόμενο γεγονός. Οι περισσότεροι τύποι ανιχνευτών κατά την διάρκεια λειτουργίας τους παρουσιάζουν κάποιο ρεύμα διαρροής το οποίο εισάγεται μαζί με το ωφέλιμο σήμα στα ηλεκτρονικά ανάγνωσης. Ανάλογα με την τιμή αυτού του ρεύματος αλλά και την αρχιτεκτονική της πρώτης βαθμίδας, διαφέρει ο τρόπος αντιμετώπισης του φαινομένου. Σύστημα ανάγνωσης ακτινοβολίας 45