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Noise characterization of silicon strip detectors-comparison of sensors with and without integrated jfet source-follower.
Caratterizzazione del rumore in rivelatori a microstriscia su silicio
-- Confronto tra sensori con e senza inseguitore di source a JFET integrato
-- Confronto tra sensori con e senza inseguitore di source a JFET integrato
Giacomini, Gabriele
2008-04-21
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.
Insegnamento
Publisher
Università degli studi di Trieste
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