دانلود رایگان ترجمه مقاله سنسورهای پیکسل فعال یکپارچه (MAPS) در تکنولوژی VLSI CMOS – الزویر 2003

مقالات انگلیسی و ترجمه های فارسی رایگان با فرمت PDF آماده دانلود رایگان میباشند

همچنین ترجمه مقاله با فرمت ورد نیز قابل خریداری و دانلود میباشد

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

فهرست مقاله:

چکیده
1- مقدمه
2- حسگرهای CMOS برای ردیابی ذرات
3- معماری پیکسل برای HEP
4- نتیجه‌گیری

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

1- مقدمه
ابزارهای سیلیکونی از دهه‌ی 1960 تاکنون برای ردیابی تشعشع استفاده شده‌اند (جزئیات بیشتر در [1]). جاذبه‌ی ابزارهای MOS فوراً شناخته‌شد و آرایه‌ها طراحی شدند. ولی دنیای تصویربرداری حالت جامد قرار بود با اختراع دوربین‌های شارژ همزمان (CCD) در آزمایشگاه بل در 1970 دستخوش تحول شود [2]. CCD همه‌ی فناوری‌های رقیب را کنار زد. در 1981 C. Damerell و همکاران استفاده از CCD برای ردیابی حداقل ذرات یونیزه‌شونده را برای بازسازی نقطه‌ای دقیق پیشنهاد کردند (برای مثال [3]). در 1983، Hitachi و Sony نخستین دوربین را به مصرف‌کنندگان معرفی کرده و در همان سال Texas Instruments نخستین وسیله‌ی مگاپیکسل را ارائه کرد [4]. در طول حدود بیست سال از پیدایش CCDها تا اواخر دهه‌ی 1980، حسگرهای CMOS به کاربردهای بسیار تخصصی از جمله ردیاب‌های افق کانونی مادون قرمز محدود بودند که در آنها حسگر CMOS به عنوان مدارهای بازخوانی ردیاب‌های نیمه‌رسانای کم-باند به کار می‌رفت [5]. معماری‌های گوناگون تقویت‌کننده ایجاد و آزموده‌شده‌اند [6-8]. در 1987، حسگرهای پیکسلی برای ردیابی حداق ذرات یونیزه‌شونده پیشنهاد شدند [9]. برای این کاربرد، عنصر ردیابی در سیلیکون با مقاومت بالا قرار داده‌شده‌است تا از تخلیه‌ی کامل ردیاب با ولتاژ منطقی بهره بگیرد. هم روش یکپارچه و هم روش دورگه پیشنهاد شدند؛ اما در سال‌های پس از آن تنها روش دوم بود که نتایج جالب‌توجهی ایجاد کرد [10]. امروزه بسیاری از تجربیات فیزیک پرانرژی یک لایه‌ی نقطه‌ای ردیاب‌های پیکسلی دورگه دارند [11]. حسگرهای یکپارچه‌ی پیکسل فعال (MAPS) بر اساس سیلیکون با مقاومت ویژه‌ی بالا به عنوان یک عنصر ردیابی توسط S. Parker در 1989 نشان داده‌شد [12]. نتایج خوب تنها با ساختارهای کوچک (حدود mm21 ناحیه‌ی فعال) به دست آمد [13]، ولی بیشتر از این نتایجی با اندازه‌های قابل استفاده منتشر نشد.
در اواخر دهه‌ی 1980 و آغاز دهه‌ی 1990 پیشرفت‌های جدیدی در حسگرهای بر پایه‌ی یک فناوری استاندارد CMOS رخ داد. فناوری CMOS از سوبستراهای با مقاومت ویژه‌ی پایین بهره می‌گیرد. در متون از این حسگرها با نام حسگرهای CMOS نام می‌برند. در اواخر دهه‌ی 1980 پیشرفت‌هایی در دانشگاه ادینبورگ، بریتانیا، رخ داد که بر اساس حسگرهای پیکسلی انفعالی بود (شکل 1a). این ابزارها به اندازه‌ی آرایه‌های سیلیکون بی‌شکل کار می‌کنند. تنها یک ترانزیستور انتخاب به همراه دیود در هر پیکسل قرار داده‌شده‌است. بار ایجاد شده توسط تشعشع در دیود جمع می‌شود. بازخوانی با بستن سوئیچ انتخاب و انتقال بار به یک پیش‌تقویت‌کننده‌ی بار که برای همه‌ی پیکسل‌های یک ستون مشترک است انجام می‌شود. این راه حل کمترین میزان الکترونیک در پیکسل را دارد و بنابراین دارای فاکتور پرشدن بسیار بالایی است که به صورت نسبت مساحت ناحیه‌ی ردیابی و مساحت کلی پیکسل تعریف شده‌است. اما از نظر سرعت و سروصدا معایب فراوانی وجود دارد.
در اوایل دهه‌ی 1990، نخستین حسگرهای پیکسل فعال (APS) (شکل 1b) معرفی شدند [14، 15]. عامل اصلی این پیشرفت نیاز به مصرف انرژی و وزن پایین برای کاربردهای فضایی بود. در پیکربندی حداقلی یک APS سه ترانزیستور در هر پیکسل قرار دارد (شکل 1b). ترانزیستور MSRT برای راه‌اندازی مجدد پیکسل با انتقال بار به سیم مثبت تغذیه است. ترانزیستور MSEL برای انتخاب بازخوانی پیکسل و ترانزیستور MIN ترانزیستور ورودی یک تعقیب‌کننده‌ی منبع است. منبع جریان برای همه‌ی پیکسل‌های یک ستون مشترک است.
در قیاس با فناوری‌های تصویربرداری رقیب، حسگرهای CMOS مزایای بالقوه‌ی زیادی از نظر هزینه‌ی پایین، مصرف انرژی پایین، صدای کمتر در سرعت‌های بالا (مثلاً [16])، دسترسی اتفاقی به پیکسل‌ها که انتخاب یک ناحیه‌ی خاص از عکس را ممکن می‌سازد و توانایی یکپارچه‌سازی توابع مختلف روی یک چیپ دارا هستند. همه‌ی اینها با هم مفهوم «دوربین روی چیپ» را ایجاد می‌کنند [1].
کاربرد حسگرهای CMOS در فیزیک ذرات در 1999 پیشنهاد شد [17]. تفاوت عمده نسبت به کاربردهای نور مرئی این است که حسگر باید 100% کارا باشد. این امر با استفاده از ساختاری عملی می‌شود که در اکثر فناوری‌های CMOS در دسترس است و در اصل برای تشخیص نور مرئی پیشنهاد شده‌بوده‌است [18]. یک نمای کلی از مقطع عرضی یک فناوری CMOS در شکل 2 نمایش داده‌شده‌است. در مدرن‌ترین فرایند CMOS، جایگاه‌های p و n روی یک لایه‌ی همبافته‌ی دوپینگ‌شده با P با مقاومت ویژه‌ی حدود 1 تا Ωcm10 ساخته‌می‌شوند. لایه‌ی همبافته دارای ضخامت چند تا µm20 و با وجود سوبسترای فسفر زیرین بسیار دوپینگ‌شده است که نقش اصلی آن در واقع حفاظت فیزیکی می‌باشد. یک اتصال p-n بین جایگاه n و لایه‌ی p وجود دارد که می‌تواند به عنوان ردیابی به کار رود. به دلیل تفاوت در دوپینگ لایه‌ی همبافته، جایگاه p و سوبسترای p، یک اختلاف پتانسیل در حد چند kT/q ایجاد می‌شود. لایه‌ی همبافته به عنوان یک مخزن پتانسیل توخالی برای الکترون‌ها عمل می‌کند که اقلیت حامل‌ها هستند. الکترون‌های ایجادشده از تشعشع در لایه‌ی همبافته منتشر می‌شوند تا به دیود p/n برسند که در آنجا با میدان مغناطیسی مواجه و توسط دیود جمع‌آوری می‌شوند.
پس از مطرح کردن این مفهوم، نتایج تجربی ویژگی‌های عالی حسگرهای CMOS را به عنوان ردیاب‌های ذرات از نظر سروصدای سیگنال، رزولوشن فضایی و کارایی ردیابی نشان دادند [19-21]. در کل علاقه به استفاده از حسگرهای CMOS به عنوان ردیاب ذرات از پخش چندگانه‌ی پایین آن به دلیل استفاده از لایه‌ی ردیاب نازک، رزولوشن فضایی بالا و تحمل مطلوب تشعشع ناشی می‌شود.

بخشی از مقاله انگلیسی:

1. Introduction

Silicon devices have been used since the 1960s for the detection of radiation (see Ref. [1] for a detailed review). The interest of MOS devices was immediately recognised and arrays were designed. But the world of solid-state imaging was going to be revolutionised by the invention of the ChargeCoupled Devices (CCD) at the Bell Laboratory in 1970 [2]. CCD took over all the competing technologies. In 1981, C. Damerell et al. proposed the use of CCD for the detection of Minimum Ionising Particles for precise vertex reconstruction (see, for example, Ref. [3]). In 1983, Hitachi and Sony introduced the first consumer camera and in the same year Texas Instruments introduced the first mega-pixel device [4]. During about twenty years, from the invention of CCDs till the late 1980s, CMOS sensors were confined to very specialised applications, namely to IR focal-plane detectors, where CMOS sensors were used as readout circuits of bump-bonded low-band gap semiconductor detectors [5]. Different amplifier architectures have been integrated and tested [6–8]. In 1987, pixel sensors were also proposed for the detection of minimum ionising particles [9]. For this application, the detecting element is integrated in high-resistivity silicon in order to exploit the full depletion of the detector with reasonable voltages. Both the monolithic and the hybrid approach were proposed but in the following years, it was only the latter one, which gave interesting results [10]. Today many high energy-physics experiments have a vertex layer of hybrid pixel detectors [11]. Monolithic active pixel sensors (MAPS) based on high-resistivity silicon as a detecting element were demonstrated by S. Parker [12] in 1989. Good results were obtained only on small structures (about 1 mm2 active area) [13], but no further results have been published on usable size devices. In the late 1980s–beginning of 1990s, new developments on sensors based on a standard CMOS technology took place. CMOS technology uses low-resistivity substrates. In the literature, those sensors are normally referred to as CMOS sensors. The late 1980s developments took place at the University of Edinburgh, UK and were based on the so-called Passive Pixel Sensors (see Fig. 1a). These devices work much as amorphous silicon arrays. Only one selection transistor is integrated in the pixel together with the diode. The charge generated by the radiation is integrated in the diode. The readout is done by closing the selection switch and dumping the charge to a charge preamplifier, common to all the pixels in one column. This solution has the minimum amount of in-pixel electronics and thus has a very high fill factor, defined as the ratio between the detecting area and the total area of the pixel. It has however serious disadvantages in terms of speed and noise. In the early 1990s, the first Active Pixel Sensors (Fig. 1b) were introduced [14,15]. The development was mainly pushed by the requirements of low power and low weight for space applications. In the minimum configuration of an APS, three transistors are integrated in the pixel (Fig. 1b). The transistor MRST is used to reset the pixel by dumping the integrated charge to the positive power supply line. The transistor MSEL is activated to select the readout of the pixel and MIN is the input transistor of a source follower. The current source is common to all the pixels in one column. With respect to other competing imaging technologies, CMOS sensors have several potential advantages in terms of low cost, low power, lower noise at higher speed (see, for example, Ref. [16]), random access of pixels which allows windowing of region of interest, ability to integrate several functions on the same chip. This brings altogether to the concept of ‘camera-on-a-chip’ [1]. The use of CMOS sensors in particle physics was proposed in 1999 [17]. The main difference with respect to visible light applications is that the sensor has to be 100% efficient. This can be achieved by using a structure which is readily available in most CMOS technologies and which was originally proposed for visible light detection [18]. A schematic view of the cross-section of a CMOS technology is shown in Fig. 2. In most modern CMOS process, n- and p-wells are fabricated on top of a thin p-doped epitaxial layer, with resistivity of the order of 1–10 O cm. The epitaxial layer thickness ranges between a few and upto about 20 mm and it is lightly doped with respect to the underlying p-substrate, whose main function is for mechanical support. A p–n junction exists between the n-well and the p-epilayer and can be used as the detecting element. Because of the difference in doping between the epitaxial layer and the p-well and the p-substrate, a potential difference of a few times kT/q is created. The epitaxial layer acts as a shallow potential well for the electrons, which are the minority carriers. Electrons created by the radiation diffuse in the epitaxial layer till they are close enough to the nwell/p-epi diode, where they experience an electric field. They are then collected by the diode. Following the proposition of the concept, experimental results have shown the excellent properties of CMOS sensors as particle detectors, in terms of signal-over-noise, spatial resolution, detection efficiency [19–21].