Analoge Elektronik in wissenschaftlichen Anwendungen

1. Analoge Elektronik in wissenschaftlichen Anwendungen • Teilchendetektoren mit Ortsauflösung • Semiconductor detectors with spatial resolution are today widely used in consumer digital cameras, professional HDTV cameras, medical imaging and in science-grade instruments for particle physics, astronomy, material and biology studies (x-ray diffraction imaging, electron-microscopy) and many other fields. • Spatial resolution of semiconductor detectors is achieved by segmenting the sensor surface into many small picture elements ("pixels"). Every segment has its own signal collecting region that can be readout individually. • These detectors are distinguishable from the sensors for consumer electronics either by its low noise and single-particle detection capability or by other properties such as 100% fill-factor, high time resolution, high dynamic range, radiation tolerance, etc. • Multikanalsysteme • In-Pixel Elektronik • Signalverstärkung, Signalübertragung, Multiplex, Verstärkung, Abtasten, Diskriminierung, A/D Konversion, Zeitmessung, Amplitudenmessung • Verstärker, Filter, getaktete Schaltungen (switched-voltage/current), Komparatore, A/D Wandler, Oszillatore… • AC Analyse, Rückkopplung • Transistormodelle • Rauschen, Schwelledispersion • Halbleiterphysik Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

2. In-Pixel Elektronik Amplifier P-”guard-ring” N-well Filter Comparator SRAM Hit memory DAC 55 μm Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

3. Pixelsensoren in Teilchenphysik • Pixel sensors are used to detect high-energy charged particles, and to determine particle trajectories. • Since particles tracking requires many layers of planar detectors, tracking sensors should be as transparent for particles as possible. They should be very thin, otherwise the particles will be deflected from their initial trajectories. • Silicon is the best material for such detectors since silicon-based technologies offer the possibility to implement any possible semiconductor device (from PN junction to the completed signal processing electronics) on the sensor. Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

4. Pixelsensoren in Teilchenphysik

5. Pixelsensoren in Teilchenphysik Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

6. Pixelsensoren in Medizin • In the case of high energy photon (x-ray or gamma) detection for medical imaging, the requirements are opposite. Photon sensors should be thick enough to absorb the largest part of the radiation. Due to its low absorption coefficient, silicon is not the best material for high-energy photon detection. • The most of practical pixel sensors for such radiation are based on indirect detection. Such sensors consist of a layer of scintillator material that converts the high-energy photons into visible light. The light detection is then performed by a silicon pixel sensor layer. Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

7. Pixelsensoren in Medizin Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

8. Klassifizierung • Hybride und monolithische Detektore • Monolithic pixel detectors: An n x m pixel matrix is placed on one chip and usually connected by means of signal multiplexing to n (or less) readout channels placed on the same or different chip. Pixels of a monolithic detector must be equipped with a certain readout electronics that at least perform the simplest tasks such as signal clearing, multiplexing and in most cases the amplification. (Some of monolithic detectors employ even more complex in-pixel signal- processing and data reduction. In this case we are talking about "intelligent" pixels that can e.g. detect particle hits, perform A/D conversion, transmit pixel addresses, perform time measurements, etc.) There are n or less connections between the pixel matrix and the block of readout channels. • Hybrid pixel detectors: Each pixel on the sensor chip has its own channel on the readout chip. There are n x m connection between two chips. • Detektore in Kommerziellen und Spezielen Technologien • The development of such detectors is relatively low-cost since they use modern commercially available and well characterized CMOS technologies. • Pixel detectors in the technologies that are specially developed or adjusted for particle (or visible light) detection, like the technologies on high resistance substrate, thick epi-layer, etc. Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

9. Hybride Detektoren n-type collecting region (n-diffusion) Pixel i Pixel i Potential enegry (e-) Signal collection Substrate P-type Si - depleted P-type Si - depleted P-type Si - undepleted P-type Si - undepleted Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

10. Hybride Detektoren • Standard (bump-bonded) hybrid pixel detectors • The bump-bonded hybrid pixel detectors are used in high-energy physics for particle tracking, and in medicine and synchrotron experiments as direct detectors for x-rays. They are based on a relatively simple pixel sensor (ohmic or with pn junctions) without any pixel electronics and bump-connections between the pixel sensor and the readout pixel chip • The connection between the sensor and the readout chip is mechanically complex and expensive, especially in the case of small pixel sizes. Pixel Readout chip Min. pitch ~50 μm Bumps Fully-depleted sensor Signal charge Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

11. Hybride Detektoren Pixel Readout chip Glue Smart diode- or fully-depleted sensor Signal charge Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

12. Hybride Detektoren • 3D-integration is a technology that allows for both vertical and horizontal connection between electronic components placed on different chips (thinned dies) stacked vertically. Pixel Readout chip2 Wafer bond TSV Readout chip1 Wafer bond Fully-depleted sensor Signal charge Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

13. Hybride Detektoren Power/signal supply for RO-chip Bonding matrix for one RO-chip Pixel matrix RO-chip (in a “gel”-pack) Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

14. Hybride Detektoren Power supply and cont. signals for the readout chip 1.5 mm Power supply and cont. signals for the sensor Readout chip (CAPPIX) Sensor chip (CAPSENSE) Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

15. Monolithische Detektoren • In the case of a standard monolithic CMOS sensor ("Monolithic Active Pixel Sensor“) - the sensitive area is undepleted epitaxially-grown silicon layer and the charge is spread and separated by diffusion. Some part of the charge is finally attracted by the next well/diffusion. NMOS transistor in p-well N-well (collecting region) Pixel i P-type epi-layer P-type substrate Energy (e-) Charge collection (diffusion) MAPS Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

16. Monolithische Detektoren • Pixel rows are consecutively "selected" by connecting their outputs (usually single-transistor amplifier outputs) to column lines. The pixel signals are in this way transported to the readout channels. Such a multiplexing requires at least one electronic switch per pixel implemented with a transistor. Select(i) Select(i+1) Signal out P-type epi-layer P-type substrate Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

17. Monolithische Detektoren • MAPS are slower and not as radiation tolerant as the hybrid detectors. • standard MAPS do not allow implementation of complete set of CMOS electronics inside pixels (only n-channel FETs - NMOS transistors - can be used) N-well (collecting region) Pixel i NMOS transistor in p-well PMOS transistor in n-well P-type epi-layer P-type substrate Energy (e-) Signal loss Signal collection MAPS with a PMOS transistor in pixel Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

18. Monolithische Detektoren Pixel PMOS in a shallow p-well NMOS shielded by a deep p-well N-well (collecting region) P-doped epi layer INMAPS Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

19. Monolithische Detektoren P-well Pixel Deep n-well 2. n-well NMOS PMOS Diffusion Epi-layer Pixel T-well MAPS Potential energy (e-) “Smart” diode Deep n-well Drift Potential energy (e-) Depleted E-field region P-substrate “Smart diode” array Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

20. Monolithische Detektoren • An SOI detector is based on a modified SOI process. SOI detectors use the electronics layer for the readout circuits and the high-resistivity support layer as a fully-depleted (drift-based) sensor. The sensor is typically 300um thick and has the conventional form of a matrix of pn junctions. A connection through the buried oxide is made to connect the readout electronics with the sensor. CMOS pixel electronics Connection Electronics layer Buried oxide Energy (e-) Support layer Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

21. Monolithische Detektoren - DEPFET Pixel PMOS Ext. gate Clear Elect. Interact. Int. gate Int. gate Signal clearing Potential en. (e-) Signal collection N-substrate (depleted) P-type backside contact Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

22. Monolithische Detektoren - SDD Drift “rings” N-doped collecting region Energy (e-) Depleted n-type substrate Undepleted p-type backside contact Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

23. Monolithische Detektoren ADC channel Pixel matrix 2.7 mm Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

24. Digitales Design: Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Leistungsverbrauch • Analoges Design: Kompromiss zwischen Geschwindigkeit, Leistungsverbrauch, Genauigkeit, Versorgungsspannung… Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

25. Verstärkung • In its simplest form, pixel signal amplification is performed using a single-transistor amplifier. In the case of Field Effect Transistors (FETs), a single-transistor amplifier is sensitive to the voltage change on its input (gate). The charge signal generated by ionization is first collected by the collecting region. The amplifier is coupled with the collecting region by means of DC-coupling (wire) or by use of AC-coupling (capacitance). The conversion factor between the charge signal and the voltage change is the capacitance of the collecting region, referred to as detector capacitance. Clearly the voltage signal will be higher if the collection region has smaller capacitance. • More efficient amplification is achieved by multi-transistor amplifiers. Such amplifiers are typical for hybrid detectors and advanced CMOS monolithic detectors. They are often equipped with feedback circuit which makes the amplification more linear. An example of an amplifier with feedback is the charge sensitive amplifier - CSA. CSA is sensitive only to the charge injected into its input, the capacitance of the input node does not influence the output signal amplitude. Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

26. Verstärkung Bias V Bias V Charge sensitive amplifier Bias R Bias R Out Out Isig Isig Cdet Cdet Simple voltage amplifier (source follower) Detector (equivalent circuit) Detector Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

27. Rauschen • An amplifier not only performs the amplification of the input signal; unfortunately it also introduces electronic noise. Let us explain this: Every amplifier needs to be biased in order to achieve the desired amplification, which means that the amplifier transistor(s) must conduct a certain bias- (DC) current. The signal on transistor's gate will then modulate the current. Thermal motion of the charge carriers inside the transistor active region (channel), leads to bias current fluctuations. These fluctuations are small compared to the bias current itself, but since the bias current is almost always much larger than the signal, its noise can in many cases exceed the signal. A way to decrease the noise is to extend the measurement time (or add a low-pass filter/shaper). Noise signals are random signals with expected value zero and if the measurement takes long time, the average of the noise during measurement interval will in fact approach zero. Most signals, however, have nonzero DC value and they are unaffected by the measurement time. • We could conclude that the detector capacitance does not play any role if we use CSA. This is, however, not true. The noise of a charge sensitive amplifier depends linearly on the detector capacitance. The reason for this is that the negative feedback which cancels the output noise becomes less efficient if the input amplifier node is loaded with a large capacitance. Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

28. Rauschen Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

29. „Time walk“ Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

30. KTC Rauschen • Almost every electronic circuit that employs transistors will be affected by their noise. This holds also for the transistor-based pulsed-reset circuit. During the pulsed reset, i.e. when the reset switch is closed, the potential of the collecting region will fluctuate around the desired reset value due to the thermal noise in the reset transistor. When the reset transistor is turned off, the instantaneous value of the reset voltage will be frozen. The instantaneous value is the sum of the desired reset-voltage and the reset error. The reset error superposes to the signal and leads to a measurement uncertainty. It is interesting to note that the reset noise only depends on the detector capacitance (not on the reset transistor resistance): • σ2v = kT/Cdet, • with σ2v variance of the voltage reset error, k Boltzmann's constant, T temperature and Cdet detector capacitance. Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

31. KTC Rauschen Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

32. Eigenschaften der Pixeldetektoren • Eigenschaften • Pixel size • Detector capacitance • Noise • readout amplifier • reset- and bias-resistor noise • The leakage-current noise • σ2v = kT/(gm t). • The magnitude of the noise determines the smallest detectable signal. • Signal to noise ratio (SNR) • SNR is the ratio between a chosen reference signal and the noise. • SNR ~ (gm t)0.5/Cdet • Dynamic range • Dynamic range is the ratio between the greatest undistorted signal (the greatest signal for which the readout does not saturate) and the smallest detectable signal (determined by the noise). • Time resolution • Power consumption • FOM = P t / SNR2 • Radiation tolerance • Fixed pattern noise • FPN refers to a non-temporal spatial noise and is due to device mismatch in the pixels and/or readout channels. • Radiation length Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

33. Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

34. Analoge Elektronik - Einführung • Analog – Zeitkontinuierlich • Digital - Zeitdiskret • Einführung: Aufgaben und Zukunft der AE • B. Razavi „Design of analog CMOS integrated circuits“ • J. Millman „Microelectronics“ • Anfang ´80 – Fortschritt in IC Herstellung, komplexe digitale Algorithmen können als ICs implementiert werden… Funktionen die traditionell analog gemacht wurden können viel einfacher mit DSP realisiert werden. • Verschwinden von analogen Elektronik? • AE hat „überlebt“ trotz dem weiteren großen Fortschritt der DE in letzten 20 Jahren. • AE ist notwendig • Verarbeitung von physikalischen Signalen • ADC sind notwendig • 1. Aufgabe: Design von schnellen und präzisen ADCs Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

35. AE (2) • Physikalische Signale sind oft zu schwach und werden durch Störsignale beeinträchtigt • 2. Aufgabe: Design von Verstärkern und Filtern • Digitale Kommunikation • Binäre Daten werden über große Distanzen gesendet – Dämpfung und Verzerrung • 3. Aufgabe: Design von Empfänger • Andere Beispiele: Elektronik in Festplatten: µV - Eingangssignal muss verstärkt und gefiltert werden. Drahtlose Empfänger, optische Übertragung 001 010 100 Filter ADC DSP Verstärker 0 1 0 1 1 Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

36. AE (3) • Design von Prozessoren und Speicher • Schnelle internen Signale werden verzerrt und müssen zeitkontinuierlich betrachtet werden • Sense Amplifiers • Design von Logikzellen • Optische Sensoren Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

37. AE (4) • Digitales Design: Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Leistungsverbrauch • Analoges Design: Kompromiss zwischen Geschwindigkeit, Leistungsverbrauch, Verstärkung, Genauigkeit, Versorgungsspannung… • Analoge Schaltungen sind viel empfindlicher gegenüber Übersprechen und Rauschen • Analogdesign kann nur schwer automatisiert werden • Unterschiedliche Ebenen von Abstraktion G S D B PMOS A PMOS Verstärker Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

38. Geschichte • 1904 Vakuumdiode – Fleming • Negative Kathode – Glühemission – positive Anode • 1906 Triode • 1947 Halbleitertransistor Brattain, Bardeen, Shockley • 1960 MOSFET • 1964 Moore‘sches Gesetz • Halbleiter… Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

39. Technologie • Silizium (15% der Erde) • SiO2 – einer der besten bekannter Isolatoren • (GaAs ICs benutzen Si3N4 oder reines GaAs als Isolator) (GaAs – bessere Mobilität, Rauschen, Lichtdioden…) • 1022Atomen - 1010freie Elektronen – 1016 Dotierungsatomen in cm3Si • Reines Material wird benutzt (1/1000000) • 1) Chemische Medoden: Rohsilizium –> HSiCl3 (Trichlorsilan) -> Destillierung -> T -> Si -> (Polykristall - Solarsilizium) Si (Siemens Prozess) • 2) Poly Si wird geschmolzen + P-Dotierung. • Impfkristall wird in die Schmelze gebracht und unter Drehen hinausgezogen -> Verunreinigungen bleiben in der Schmelze (Stoffe neigen möglichst rein zu kristallisieren) -> Si Kristall (Halbleitersilizium) -> Wafers werden gesägt (Czochralski Prozess) Solar Si 1) Reines Halbleitersilizium 3) HCl 2) HSiCl3 Rohsilizium Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

40. Technologie Front-End Prozesse – Erzeugung von Transistoren Deponierung von Dotierungssubstanzen, Oxidation, Isolierung von Transistoren Back-End Prozesse – Erzeugung von Metalllagen (Al, Cu), Isolatorlagen (SiO2, Glas), „Via“ Löcher (Wolfram). Photolithographie Schritte: Polymer Photolack wird aufgebracht Stepper wird benutzt: „Reticle“-Dia mit 5X Verkleinerung mittels UV Licht (200 nm) wird projiziert. Photolack wird belichtet, belichtete Stellen härten NaOH wird benutzt, Photolack durch Ätzung entfernt Elektronenstrahllithographie Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

41. Technologie – Implantation von Diffusionswannen • Standard N-Well Prozess mit epi-Lage • Wafer (Monokristall) • Schritt 1 • Epi Lage – ein epitaktisch gewachsene Si Schicht (Monokristall) • Schritt 2 • Schwachdotierte N- und P-Wannen für P und N-Kanal Transistoren werden erzeugt • Maske ist SiO2 • Oxidation • Nitrid wird aufgebracht • Photolack • Ätzung. • Ionen (P) werden mit 80KV beschleunigt, Ionenimplantation, Dotierung… Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

42. UV Licht SiO2 Epi Lage Photolack Si2N3 Epi Lage SiO2 Ionenimplantation Wafer Epi Lage Wafer Si2N3 Wafer SiO2 Epi Lage Ätzen Wafer Implantation von Diffusionswannen Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

43. Technologie – Implantation von Diffusionswannen • Standard N-Well Prozess mit epi-Lage • Wafer (Monokristall) • Schritt 1 • Epi Lage – ein epitaktisch gewachsene Si Schicht (Monokristall) • Schritt 2 • Schwachdotierte N- und P-Wannen für P und N-Kanal Transistoren werden erzeugt • Maske ist SiO2 • Oxidation • Nitrid wird aufgebracht • Photolack • Ätzung. • Ionen (P) werden mit 80KV beschleunigt, Ionenimplantation, Dotierung… Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

44. Feldoxid Dickes Oxid (Feldoxid) – Isolierung zwischen Transistoren Maske: SiO2 + Silizium-Nitrid „LOCOS“: Lokale „feuchte“ Oxidation: Si + 2H2O - > SiO2 + 2H2 (Oberfläche nicht eben) „STI“: Plasma Ätzung – Trench – CVD (Chemical Vapour Deposition) Oxid (benutzt Gas Si(OC2H5)4 ) – Polieren (CMP – Chemical Mechanical Polishing) – ebene Oberfläche – erlaubt mehr Metalllagen. Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

45. Si2N3 SiO2 Epi Lage Wafer Lack Si2N3 H2O SiO2 SiO2 SiO2 Oxidation Feldoxid Anisotropische Ätzung u. Polieren Ätzen Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

46. Feldoxid Dickes Oxid (Feldoxid) – Isolierung zwischen Transistoren Maske: SiO2 + Silizium-Nitrid „LOCOS“: Lokale „feuchte“ Oxidation: Si + 2H2O - > SiO2 + 2H2 (Oberfläche nicht eben) „STI“: Plasma Ätzung – Trench – CVD (Chemical Vapour Deposition) Oxid (benutzt Gas Si(OC2H5)4 ) – Polieren (CMP – Chemical Mechanical Polishing) – ebene Oberfläche – erlaubt mehr Metalllagen. Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

47. Gate Oxid • Transistoren (aktive Bereiche) und ohmsche Kontakte sind jetzt isoliert. • Der kritischste Schritt – Erzeugung vom Gate – Oxid • Trockene thermische Oxidierung (in Sauerstoff Atmosphäre) 100 min @ 800°C. (Si + O2 -> SiO2) – 7nm Oxid Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

48. 800° C 02 Oxidation Epi Lage Gate Oxid Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

49. Gate Oxid • Transistoren (aktive Bereiche) und ohmsche Kontakte sind jetzt isoliert. • Der kritischste Schritt – Erzeugung vom Gate – Oxid • Trockene thermische Oxidierung (in Sauerstoff Atmosphäre) 100 min @ 800°C. (Si + O2 -> SiO2) – 7nm Oxid Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs

50. Transistor • Ganzflächige Abscheidung von Polysilizium – ( CVD ) (Silan – SiH4). • Photolack + Polysilizium wird abgeätzt – Gate Elektroden. • Maske deckt die aktive Bereiche ab. • Rundumisolierung von Gate Elektroden „spacer“ definiert schwach dotierte Source und Drain • As (Arsen) und P (Phosphor) Ionen – n+ Drain, Source, ohmsche Kontakte – Polysilizium Gates dienen als Masken – Prozess ist selbstjustierend (self-aligment) • B (Bor) Ionen – p+ Drain, Source, ohmsche Kontakte • Thermische Ausheilung – Diffusion von Ionen . • Ti wird angebracht – TiSi2 bildet sich am Silizium – SiO2 Oberfläche reagiert nicht – Ti wird abgeätzt – (self aligned silicide) Ausgewählte Themen des analogen Schaltungsentwurfs