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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/2707

Title: Noise characterization of silicon strip detectors-comparison of sensors with and without integrated jfet source-follower.
Other Titles: Caratterizzazione del rumore in rivelatori a microstriscia su silicio -- Confronto tra sensori con e senza inseguitore di source a JFET integrato
Authors: Giacomini, Gabriele
Supervisor/Tutor: Bosisio, Luciano
Issue Date: 21-Apr-2008
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Noise is often the main factor limiting the performance of detector systems. In this work a detailed study of the noise contributions in different types of silicon microstrip sensors is carried on. We investigate three sensors with double-sided readout fabricated by different suppliers for the ALICE experiment at the CERN LHC, in addition to detectors including an integrated JFET Source-Follower as a first signal conditioning stage. The latter have been designed as an attempt at improving the performance when very long strips, obtained by gangling together several sensors, are required. After a description of the strip sensors and of their operation, the “static” characterization measurements performed on them (current and capacitance versus voltage and/or frequency) are illustrated and interpreted. Numerical device simulation has been employed as an aid in interpreting some of the measurement results. The commonly used models for expressing the noise of the detector-amplifier system in terms of its relevant parameters are then presented. Two configurations of the first signal processing stage are considered and confronted: the usual charge-sensitive amplifier and the Source-Follower. Next, the noise measurements performed and their results are illustrated. Curves of the equivalent input noise charge versus shaping time of the filtering amplifier, for several values of the leakage current, have b een obtained. The leakage current has been varied by photogeneration, illuminating the sensor with a LED, or alternatively by injecting it into the strip from an external current source, through a high-value resistor. The noise measured with the strip sensors read-out by a charge- sensitive amplifier generally agrees well with the common model, but in some operating conditions unexpected contributions have been found. These have been interpreted by correlating them with some peculiar features of the capacitance-voltage measurements. The noise measured on the detectors with integrated JFET source-follower complies with the prediction of the model, using the measured values of the relevant parameters. Finally, the performances of the two different approaches are confronted.
Il rumore e' spesso il principale fattore che limita le prestazioni di un sistema di rivelazione. In questo lavoro si riporta un dettagliato studio dei contributi di rumore in diversi tipi di sensori al silicio a microstriscia. Si sono investigati sia sensori con lettura a doppia faccia, fabbricati da tre differenti fornitori per l’esperimento ALICE presso lo LHC del CERN, sia rivelatori che includono, come primo stadio di condizionamento del segnale, un “Source-Follower” a JFET, integrato sullo stesso substrato del sensore. Questi ultimi sono stati progettati nel tentativo di migliorare le prestazioni del sistema quando sono richieste strisce molto lunghe, ottenute concatenando insieme vari sensori. Dopo una descrizione dei sensori a microstriscia utilizzati, vengono illustrate e interpretate le misure di caratterizzazione statica eseguite su di essi (corrente e capacita' verso tensione e/o frequenza). Come aiuto nell’interpretazione di alcune peculiari caratteristiche di queste misure si e' fatto ricorso a simulazioni numeriche del dispositivo. Sono poi descritti i modelli comunemente usati per esprimere il rumore del sistema rivelatore-amplificatore in funzione dei parametri che lo caratterizzano. Sono state considerate e confrontate due configurazioni del primo stadio di trattamento del segnale: il tradizionale amplificatore di carica e l’inseguitore di "source”. Segue la descrizione delle misure di rumore eseguite e dei relativi risultati. Sono state misurate curve della carica equivalente di rumore in ingresso, in funzione del tempo di picco del formatore, per diversi valori della corrente di buio. Quest’ ultima e' stata variata per fotogenerazione (illuminando il sensore con un LED) o, in alternativa, iniettandola direttamente nella striscia sotto esame per mezzo di una sorgente esterna di corrente (attraverso una resistenza di alto valore). In tal modo e' stato possibile verificare i modelli per il rumore su un ampio intervallo dei parametri, ed evidenziare chiaramente il contributo di rumore del meccanismo di punch-through, utilizzato per polarizzare le strisce. Il rumore misurato con lettura del segnale tramite amplificatore di carica e' generalmente in buon accordo con il modello comunemente usato, ma in qualche condizione operativa si sono trovati contributi inaspettati. Questi sono stati interpretati correlandoli con alcune caratteristiche particolari delle misure di capacita'. Il rumore misurato sui rivelatori con Source-Follower integrato e' in accordo con le predizioni del modello, quando per i parametri si usano i valori misurati. Infine si confrontano le prestazioni dei due differenti approcci per la lettura del segnale.
PhD cycle: XX Ciclo
PhD programme: FISICA
Description: 2006/2007
Keywords: silicon strip detectors
electronic noise
JFETs
source-follower
Main language of document: en
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: FIS/04 FISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE
NBN: urn:nbn:it:units-7244
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