Formazione del segnale in rivelatori al silicio innovativi

I rivelatori al silicio hanno un'eccellente risoluzione spaziale, mentre, attualmente, la risoluzione temporale è invece piuttosto scarsa (dell'ordine dei nanosecondi). Questo fatto limita molte delle loro applicazioni e ha spinto molti gruppi a sviluppare un nuovo tipo di rivelatore al silicio che sia in grado di misurare con elevata precisione sia lo spazio che il tempo. La risoluzione spaziale che si prevede di raggiungere è dell'ordine dei 10 um, mentre quella temporale è all'incirca 10 ps. Tali dispositivi sono chiamati Ultra-Fast Silicon Detectors (UFSD) e sono caratterizzati da uno spessore ridotto in modo da ridurre il tempo di raccolta della carica, e da una moderata moltiplicazione di carica interna denominata "guadagno", la quale permette di aumentare l'ampiezza del segnale. Il capitolo 1 presenta gli effetti dell'interazione della radiazione con la materia e le proprietà del silicio. Il capitolo 2 tratta dei rivelatori al silicio: vengono descritti il meccanismi alla base della formazione del segnale, del noise e dello shaping. Inoltre, vengono trattate le principali geometrie in uso per i rivelatori di particelle. Il capitolo 3 introduce due tipi di rivelatori al silicio innovativi: "3D" e Ultra-Fast. In particolare, viene prestata attenzione al meccanismo di moltiplicazione della carica nel silicio e alla sua dipendenza dal campo elettrico. Il capitolo 4 fornisce una descrizione dei circuiti elettronici che vengono tipicamente utilizzati per le misure di timing, nonché alcune previsioni riguardanti la risoluzione temporale, nel caso di utilizzo di rivelatori Ultra-Fast. Il capitolo 5 descrive il programma Weightifield 2.0, che permette di simulare un sensore al silicio con guadagno interno e di studiare la moltiplicazione della carica in presenza di una deposizione di carica non uniforme all'interno del sensore. Il capitolo 6, infine, confronta il risultato delle simulazioni di Weightifield 2.0 con i test effettuati col laser su uno dei primi diodi Ultra-Fast, prodotto dalla CNM di Barcellona.

Silicon-based tracking sensors have excellent position resolution, however, presently, the time determination is usually quite poor (~ns): this fact is imposing severe restrictions on many applications and it has driven several R&D groups to design a new type of silicon sensor, able to measure with high precision the space (~um) and time (~10 ps) coordinates of a particle. These new devices are called Ultra-Fast Silicon Detectors (UFSD) and make use of a reduced thickness to decrease collection time, and a low charge multiplication to enlarge the signal amplitude. This latter property is obtained by changing the current design of pixelated silicon detectors introducing an innovative doping profile that allows charge multiplication. Chapter 1 presents the effects of radiation interaction with matter and the properties of silicon. Chapter 2 is about silicon detectors: it describes the mechanism at the base of signal formation, as well as the principles of noise and signal shaping. An overview of the most common sensor geometries is also given. Chapter 3 introduces two innovative architectures for silicon detectors: "3D" and Ultra-Fast. In particular, the mechanism of charge multiplication in silicon and its relation to the electric field are inspected. Chapter 4 provides a description of the electronic circuits used for time measurements and an estimate of the time resolution with a leading edge discrimination technique. In particular, some aspects of timing with Ultra-Fast detectors are predicted, as well as their effects on time resolution. Chapter 5 describes the program Weightfield 2.0: it allows to simulate a silicon sensor with internal gain and to investigate the effects of charge multiplication in the presence of a non-uniform charge deposition inside the sensor. Chapter 6, finally compares the output of a Weightfield 2.0 simulation with the results of laser tests on one of the first Ultra-Fast diodes produced by CNM in Barcelona.