Design of 28 nm CMOS front-end channels for pixel detectors in future high energy physics colliders and advanced X-ray imaging instrumentation

Lo sviluppo di circuiti front-end integrati per rivelatori a pixel ibridi rappresenta una sfida cruciale per la strumentazione avanzata nella fisica delle alte energie e nell’imaging a raggi X. I futuri esperimenti ad alta luminosità e le applicazioni avanzate di imaging nei Free Electron Laser impongono requisiti stringenti in termini di densità di integrazione, velocità di acquisizione, gestione di elevati tassi di eventi, bassa occupazione temporale, robustezza alle radiazioni, ampio intervallo dinamico e basso rumore. Nonostante la promettente robustezza e le prestazioni della tecnologia CMOS a 28 nanometri a livello di singolo dispositivo, la sua applicazione pratica in circuiti front-end completi per rivelatori a pixel ibridi rimane poco esplorata. Questa tesi si propone di investigare le potenzialità e i limiti della tecnologia CMOS a 28 nanometri per la progettazione e l’implementazione di canali di lettura integrati in questi scenari. Il lavoro ha coinvolto la progettazione, la simulazione, l’implementazione del layout e il tape-out di tre distinti canali front-end. Il contributo originale di questa ricerca consiste nel tradurre la valutazione teorica della tecnologia CMOS a 28 nanometri in implementazioni concrete, realizzando tre circuiti integrati prototipo per rivelatori a pixel ibridi, ciascuno con obiettivi applicativi specifici. Un front-end a zero dead-time con convertitore analogico-digitale flash a 2 bit in-pixel, progettato per esperimenti ad ultra-alta luminosità, ha dimostrato la capacità di processare con successo segnali consecutivi in periodi di crossing di bunch adiacenti. Le simulazioni hanno rivelato una dispersione delle soglie inferiore a 30 elettroni root mean square e una carica equivalente di rumore misurata di circa 63 elettroni root mean square, comparabile con chip all’avanguardia come quelli della collaborazione RD53. Il consumo di potenza per pixel è di soli 5,4 microwatt. Una seconda architettura basata sulla tecnica Time-over-Threshold per applicazioni di fisica ...