Sviluppo di silicon photomultipliers CMOS, analogici e digitali

Silicon PhotoMultipliers (SiPMs) are large area detectors, of some squared millimeters, consisting of a matrix of Single Photon Avalanche Diodes (SPADs). SiPMs are used in various applications, especially in Positron Emission Tomography (PET). Aim of my thesis is to develop SiPMs and integrated circuits in CMOS 0.35 um technology, using Cadence Virtuoso. In the first part I developed a model to simulate SiPM's behavior with Spectre. Then I improved the layout of SiPMs previously developed by Politecnico di Milano, to solve some issues found during their characterization. After that I designed a first prototype of fast gating SiPM, in which three transistors are integrated in each pixel to turn the SPAD on and off. Besides I designed a transimpedance amplifier to read analog SiPM's output current. It consists of a single nmos transistor with an active load and a feedback resistor. The bandwidth is large (405 MHz). The last part of the work is about the design of a digital SiPM, in which each pixel consists of a SPAD and an active quenching circuit, with the possibility to disconnect hot pixels. Output signals are two: a digital pulse synchronous with the photon arrival time and a current (with adjustable intensity) proportional to the number of incident photons. An integrated buffer takes this current through a current mirror. Then the current goes to a transimpedance amplifier, to the external world and to a variable threshold current comparator. The output of the comparator is a digital pulse synchronous with the arrival time of a certain number of photons. In the end a Time-to-Digital Converter (TDC) converts the arrival time of a single photon (so the output digital pulse from the matrix) or the arrival time of a certain number of photons (so the output of the comparator) in a binary code.

I Silicon PhotoMultipliers (SiPM) sono rivelatori con area attiva di qualche millimetro quadro, costituiti da una matrice di rivelatori di singoli fotoni (SPAD). I SiPM sono utilizzati in numerose applicazioni, in particolare nella tomografia ad emissione di positroni (PET). La mia tesi riguarda la progettazione di fotorivelatori SiPM ed elettronica integrata su Cadence Virtuoso in tecnologia CMOS 0.35 um. In particolare nella prima parte ho sviluppato un modello di SiPM per simularne il comportamento con Spectre e ho migliorato il layout dei SiPM analogici precedentemente progettati nello SPADLab del Politecnico di Milano, per risolvere alcuni problemi riscontrati durante la loro caratterizzazione. Ho inoltre progettato un primo prototipo di SiPM ad abilitazione veloce in cui, in ciascuna microcella, sono integrati tre transistori per permettere la rapida accensione e il rapido spegnimento dello SPAD. Per leggere la corrente in uscita dai SiPM ho sviluppato un amplificatore a transimpedenza integrato. Lo stadio raggiunge prestazioni di banda elevate (405 MHz) ed è costituito da un transistore nmos con source a massa, carico attivo e resistenza in retroazione. L'ultima parte della tesi riguarda la progettazione di un SiPM digitale. Ogni microcella è costituita da uno SPAD con circuito di spegnimento attivo ed è inoltre possibile disabilitare le microcelle con elevato conteggio di buio. Sono presenti due uscite: la prima è un impulso digitale che corrisponde all'arrivo di un fotone; la seconda è un segnale di corrente (la cui intensità può essere regolata dall'esterno) proporzionale al numero di fotoni incidenti. Ho integrato un buffer per portare questa corrente in ingresso ad un specchio con più rami di uscita: mondo esterno, transimpedenza e comparatore di corrente con soglia regolabile. Quest'ultimo dà in uscita un impulso digitale corrispondente all'arrivo di un certo numero di fotoni. Infine ho aggiunto un Time to Digital Converter (TDC) che converte il tempo di arrivo di un singolo fotone (impulso digitale in uscita alla matrice) o di più fotoni (uscita del comparatore) a seconda che si vogliano rivelare fotoni singoli o multipli.