Caratterizzazione della catena di lettura di un rivelatore al silicio

Un rivelatore al silicio è una giunzione p-n polarizzata inversamente. In un rivelatore la carica rilasciata nella regione di svuotamento viene raccolta in corrispondenza della giunzione e viene registrata. La carica rilasciata nel resto del rivelatore si ricombina con altri portatori e viene persa. Idealmente quindi il rivelatore andrebbe totalmente svuotato di cariche libere.
I rivelatori a semiconduttore furono dapprima utilizzati dal 1951 in fisica nucleare per misure di energia, per poi venire impiegati negli anni ’70 in esperimenti di fisica delle alte energie. Nel 1980 J. Kemmer introdusse la tecnica planare nella produzione di rivelatori di silicio. La tecnica planare permette di suddividere un lato della giunzione in segmenti e quindi individuare la posizione delle particelle tramite i segnali registrati nei vari segmenti. Nei rivelatori a microstrip di silicio, realizzati con questa tecnica, i segmenti sono strisce sottili, dette microstrip. Per realizzare un rivelatore a strip si segue una procedura specifica.
Su un supporto di silicio di tipo n (spesso qualche centinaio di micron) si impiantano strisce larghe anche solo 20 μm di silicio p+. Il silicio di tipo n serve proprio per registrare il passaggio delle particelle, mentre il silicio p+ ha il solo scopo di svuotare il rivelatore di portatori liberi. Sul lato n viene impiantato uno strato n+ ricoperto a sua volta da uno strato metallico per la connessione della polarizzazione (Vbias). Si utilizzano strati di silicio con elevato drogaggio per evitare fenomeni di incurvamento delle bande al contatto tra metallo e semiconduttore. La superficie del rivelatore dal lato delle strip viene protetta da uno strato di ossido di silicio (SiO2). L’utilizzo di un circuito elettronico ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) di lettura ad alta densità permette la connessione diretta tra strip e canali di lettura. La connessione si effettua depositando sullo strato p+ un contatto di alluminio. La lettura del rivelatore è resa possibile tramite l’operazione di bonding, cioè di collegamento tramite fili di alluminio con spessori compresi tra 17 e 33 μm della piazzola della strip e di quella dell’ASIC . La connessione diretta tra strip e preamplicatore comporta l’integrazione anche della corrente di buio della strip, cioè la corrente generata dalle coppie prodotte nella zona di svuotamento per agitazione termica. Per evitare questo effetto, è possibile interporre tra l’impianto p+ e il contatto di alluminio uno strato di SiO2 spesso qualche centinaio di nanometri che funge da isolante, generando una capacità d’accoppiamento AC tra rivelatore ed elettronica.
I rivelatori al silicio hanno un’ottima risoluzione energetica grazie alla loro alta densità e sono quindi largamente impiegati nella fisica delle particelle. è sufficiente che una particella in movimento nel silicio rilasci un’energia di 3.6 eV perché si crei una coppia elettrone-lacuna. L’elevata densità del silicio garantisce buona risoluzione spaziale ed un valore elevato di energia rilasciata al passaggio della particella. La precisione nell’individuazione delle tracce in un rivelatore può arrivare fino a 2.6 μm. L’energia media rilasciata da una particella al minimo di ionizzazione (MIP) è circa 390 eV/μm, che permette di generare circa 108 coppie elettrone-lacuna in un micron.