Микросхема для работы с полупроводниковыми детекторами | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 22 августа, печатный экземпляр отправим 9 сентября.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Физика

Опубликовано в Молодой учёный №27 (317) июль 2020 г.

Дата публикации: 05.07.2020

Статья просмотрена: 4 раза

Библиографическое описание:

Мясников, М. К. Микросхема для работы с полупроводниковыми детекторами / М. К. Мясников. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 27 (317). — С. 82-85. — URL: https://moluch.ru/archive/317/72398/ (дата обращения: 08.08.2020).



В современных цифровых диагностических системах нового поколения используются полупроводниковые структуры на основе арсенида галлия компенсированного хромом (GaAs:Cr). Данная структура перспективна для создания радиационно стойких, высокоэффективных детекторов ионизирующих излучений. Одним таким направлением использования является строящееся и построенные коллайдеры на которых проводятся уникальные эксперименты.

Разрабатываемые детекторы для исследования физики частиц хорошо зарекомендовали себя и находят различные применения в других областях науки. В Европейском центре ядерных исследований (CERN) используют гибридные полупроводниковые для регистрации треков частиц. Гибридный пиксельный детектор состоит из двух основных элементов: чувствительный слой детектора и микросхема считывания.

Структура гибридного пиксельного детектора

Рис. 1. Структура гибридного пиксельного детектора

Малый размер пикселя и режим счета одиночных фотонов, дают возможность получить рентгеновские изображения с высоким пространственным разрешением при малом уровне шумов, что дает преимущество в использовании данных пиксельных детекторов, для получения рентгеновских изображений, перед существующими детекторами.

Материал для использования в гибридных пиксельных детекторах может быть различен в зависимости от условий эксперимента. Большая часть изготовленных детекторов использует в качестве чувствительного элемента кремний, у которого, как и любого материала есть свои плюсы и минусы. При хорошей изученности кремния, однородности и доступности, обладает недостатками, которые сильно ограничивают его использования в детекторах, эффективность регистрации гамма-квантов с энергией более 30кэВ составляет меньше 25 % при толщине чувствительного элемента 1мм, малая радиостойкость при комнатной температуре. Направления, где используются переходы к большим энергиям квантов, такие как рентгеновская компьютерная микротомография и рентгеновская радиография плотных веществ инициируют исследования новых материалов для использования в гибридных детекторах (например, арсенид галлия).

Одним из направления гибридных пиксельных микросхем является семейство Timepix, которая является модификацией микросхемы Medipix2/2MXR. Для изготовления микросхемы использовалась CMOS технология, размер пикселя составлял 55мкм, разрешение микросхемы 256х256. Микросхема позволяла работать в одной из двух режимов [1]:

  1. счетный режим — происходит счет частиц с энергией выше заданного порога
  2. режим энергетического «окна» — считаются частицы с энергией, находящейся в определенном заданном диапазоне.

Отличие микросхемы Timepix [2], от микросхемы Medipix2/2MXR состояла в дополнительных режимах, основанные на временной информации о сигнале, возникшем при прохождении частицы. Архитектура микросхемы дает возможность настроить каждый пиксель на один из трех режимов работы:

  1. Medipix или счетный режим: производится счет количества превышения заданного порога энергии (полученное число показывает количество зарегистрированных частиц)
  2. Time-over-Threshold (TOT) или режим измерения энергии: измерение длительности нахождения уровня сигнала с усилителя над порогом по энергии;
  3. Time-of-arrival (TOA) или режим измерения времени: производится подсчет времени превышения заданного порога и до момента закрытия временного окна

Во 2 и 3 режимах счет происходит с помощью тактового генератора, работающего на частоте в диапазоне 2–50МГц. Максимальное значение счетчика ограничивается 11810 отсчетами. При переполнении счетчик не обнуляется.

В детекторах используемых для регистрации частиц в большинстве случаев используют режим ТОТ, наряду с измерением амплитуды сигнала.

Принцип метода Time-over-Threshold (ТОТ)

Рис. 2. Принцип метода Time-over-Threshold (ТОТ)

Спад сигнала происходит линейно относительно базового уровня, таким образом длительность сигнала с усилителя пропорциональна входному заряду и энергии частицы, для определения данных зависимостей требуется калибровка.

Следующей эволюцией микросхемы стала Timepix3 [3]. Размер пикселя остался прежним (55мкм) и разрешение матрицы 256х256 пиеселей. Основные отличия новой микросхемы Timepix3 заключается в переходе на технологический процесс 130нм. Пикселей теперь могут работать в режимах Time-over-Threshold и Time-of-arrival одновременно. Режим TOA получил более высокое временное разрешение в 1.56нс. Режим работы микросхемы стал безтриггерным, что дало увеличение производительности и увеличение максимального потока частиц (до 80 млн. событий в секунду), которые микросхема могла обработать.

Данные характеристики делает микросхему Timepix3 востребованной как для полупроводниковых, так и для газовых детекторов. Развитие микросхем делает актуальным и исследования в плане чувствительного материала способного регистрировать большее число событий.

Литература:

  1. Medipix2, a 64k pixel read out chip with 55 µm square elements working in single photon counting mode / X. Llopart [et al.] // Nuclear Science Symposium Conference Record, 2001 IEEE. Vol. 3. –– 2001. –– P. 1484––1488.
  2. Timepix, a 65k programmable pixel readout chip for arrival time, energy and/or photon counting measurements / X. Llopart [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. –– 2007. –– Vol. 581, no. 1. –– P. 485––494.
  3. Timepix3: a 65K channel hybrid pixel readout chip with simultaneous ToA/ToT and sparse readout / T. Poikela [et al.] // Journal of instrumentation. –– 2014. –– Vol. 9, no. 05. –– P. C05013.
Основные термины (генерируются автоматически): TOA, детектор, микросхема, заданный порог, счетный режим, чувствительный элемент, CERN, CMOS, TOT, размер пикселя.


Похожие статьи

Полупроводниковые приборы на основе GaAs:Cr

Технология подразумевает микросхему считывания и чувствительный слой полупроводника, соединённые пайкой методом

Принцип работы гибридного детектора основывался на счете единичных фотонов. В 1997 году была создана первая микросхема Medipix1 на основе CMOS...

Методики измерения норм электрических параметров микросхем...

В режиме функционального контроля каждый из измерительных каналов осуществляет измерения и контроль параметров микросхемы в

В двунаправленном режиме любой канал может переходить из режима контроля в режим формирования и обратно во всех векторах...

Сравнение быстродействия и помехоустойчивости ТТЛ...

В статье рассмотрены два варианта реализации мультиплексора 74x151 — на транзисторно-транзисторной логике ТТЛ 74LS151 и комплементарных МОП-структурах КМОП 74НС151. Проведено моделирование мультиплексоров в среде PSPICE, сравнение их быстродействия и...

Анализ отказов и надежности полупроводниковых приборов...

В микроэлектронной и микропроцессорной аппаратуре систем железнодорожной автоматики и телемеханики основной вклад в суммарную интенсивность отказов вносят интегральные микросхемы.

Расчет чувствительного элемента микромеханического...

В статье рассматривается расчет параметров чувствительного элемента упругого подвеса микромеханического гироскопа.Приводятся расчетные формулы для нахождения собственных часто в режиме движения и в режиме чувствительности.

Процесс тестирования интегральных микросхем

Диагностический контроль — это частный случай контроля микросхем, который наиболее эффективен при проведении тестирования гибридных ИС. Данный вид микросхем позволяет осуществить замену вышедших из строя элементов, находящихся на общей подложке.

Проектирование детектора сигналов средств беспроводного...

Введение. В современном мире ни у кого не возникает сомнений в том, что необходимо защищать информацию. Злоумышленники стараются перехватить сведения, составляющие коммерческую тайну предприятия...

Разработка системы измерения сопротивления | Статья в журнале...

Микросхема может функционировать в трех основных режимах. В режиме 0, который

Микросхема КР580ВВ55А сопряжена с реле KV1÷KV4 через мощные транзисторы КТ815А.

Блок 3. В порт F4h выводится содержимое регистра В, задающее ток через измеряемое...

Конструкция и технология изготовления моделируемого...

Геометрические размеры магниторезистивного моста выбирались исходя из толщины

Для обеспечения заданного тока потребления, сопротивление МР моста должно быть не менее

4. Шамин А. А., Головяшкин А. Н. Расчет чувствительного элемента газового датчика на основе...

Похожие статьи

Полупроводниковые приборы на основе GaAs:Cr

Технология подразумевает микросхему считывания и чувствительный слой полупроводника, соединённые пайкой методом

Принцип работы гибридного детектора основывался на счете единичных фотонов. В 1997 году была создана первая микросхема Medipix1 на основе CMOS...

Методики измерения норм электрических параметров микросхем...

В режиме функционального контроля каждый из измерительных каналов осуществляет измерения и контроль параметров микросхемы в

В двунаправленном режиме любой канал может переходить из режима контроля в режим формирования и обратно во всех векторах...

Сравнение быстродействия и помехоустойчивости ТТЛ...

В статье рассмотрены два варианта реализации мультиплексора 74x151 — на транзисторно-транзисторной логике ТТЛ 74LS151 и комплементарных МОП-структурах КМОП 74НС151. Проведено моделирование мультиплексоров в среде PSPICE, сравнение их быстродействия и...

Анализ отказов и надежности полупроводниковых приборов...

В микроэлектронной и микропроцессорной аппаратуре систем железнодорожной автоматики и телемеханики основной вклад в суммарную интенсивность отказов вносят интегральные микросхемы.

Расчет чувствительного элемента микромеханического...

В статье рассматривается расчет параметров чувствительного элемента упругого подвеса микромеханического гироскопа.Приводятся расчетные формулы для нахождения собственных часто в режиме движения и в режиме чувствительности.

Процесс тестирования интегральных микросхем

Диагностический контроль — это частный случай контроля микросхем, который наиболее эффективен при проведении тестирования гибридных ИС. Данный вид микросхем позволяет осуществить замену вышедших из строя элементов, находящихся на общей подложке.

Проектирование детектора сигналов средств беспроводного...

Введение. В современном мире ни у кого не возникает сомнений в том, что необходимо защищать информацию. Злоумышленники стараются перехватить сведения, составляющие коммерческую тайну предприятия...

Разработка системы измерения сопротивления | Статья в журнале...

Микросхема может функционировать в трех основных режимах. В режиме 0, который

Микросхема КР580ВВ55А сопряжена с реле KV1÷KV4 через мощные транзисторы КТ815А.

Блок 3. В порт F4h выводится содержимое регистра В, задающее ток через измеряемое...

Конструкция и технология изготовления моделируемого...

Геометрические размеры магниторезистивного моста выбирались исходя из толщины

Для обеспечения заданного тока потребления, сопротивление МР моста должно быть не менее

4. Шамин А. А., Головяшкин А. Н. Расчет чувствительного элемента газового датчика на основе...

Задать вопрос