Development of Sensors and Amplifiers in SiGe BiCMOS Technology

by Alexander Elsenhans

Friday Nov 20, 2020, 11:00 AM → 11:45 AM Europe/Berlin

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Vortrag zur Masterarbeit von Alexander Elsenhans zum Entwicklung von Sensoren und Verstärkern in SiGe BiCMOS Technologie

Teilchendetektoren für Experimente wie z.B. ATLAS am CERN oder Mu3e erfordern eine hohe Zeitauflösung. Aktuelle CMOS-Sensoren erreichen die erforderliche Zeitgenauigkeit von weniger als 100ps nicht.
IHP SG13S mit seinen bipolaren heterojunction Transistoren (HBTs) wurde für das Design einer neuen Art von HVCMOS-Teilchendetektoren, die diese Anforderungen erfüllen, genutzt. Die Sensoren bestehen aus einer Matrix von Pixeln, die auf dem Chip mit periphärer Ausleseelektronik verbunden sind.
Im Rahmen der Arbeit wurde ein Vergleich verschiedener Architekturen für Verstärker, Komparator und Time-to-Digital-Konverter (TDC) durchgeführt. Architekturen, die die Anforderungen am besten erfüllten, wurden danach genaustens durchleuchtet.
Ein Verstärker mit gut angepassten Eigenschaften besteht aus zwei Common-Emitter-Verstärkern
mit DC-Stromgegenkopplung. Die Übertragungsleitung (Pixel zur Ausleseelektronik) befindet sich zwischen der ersten und zweiten Verstärker-Stufe, mit einem Kaskode-HBT der Stromübertragung ermöglicht.
Aufgrund der Stromübertragung liegt die Anstiegszeit des Signals am Verstärkerausgang in der Größenordnung von 1ns. Die Eqivalent Noise Charge (ENC) liegt in der Größenordnung von 110e⁻ für ein minimales Eingangssignal.
Das globale Design der Matrix als Differenzverstärker mit vielen Eingängen reduziert die Größe und eliminiert Rauschen, das alle Pixel identisch betrifft.
Zusätzlich wurde ein schneller Komparator mit HBTs entworfen und an den Verstärker angeschlossen.
Die resultierende RMS-Zeitauflösung liegt in der Größenordnung von 100ps. Dabei erfolgt die Zeitmessung mit einem Delay-Line-TDC, der ein LSB von 50ps besitzt.

Vortragssprache: Englisch

 

Lecture to the master thesis from Alexander Elsenhans on the Topic Development of Sensors and Amplifiers in SiGe BiCMOS Technology

Particle detectors for experiments like ATLAS at CERN or Mu3e require high time precision. State-of-the-art CMOS detectors are not achieving the needed time precision of less than 100ps.
IHP SG13S with its heterojunction bipolar transistors (HBTs) was used to design a new
kind of HVCMOS particle detectors fulfilling these requirements. They are consisting of a
matrix of pixels connected to on-chip readout electronics placed at the periphery of the matrix .
A comparison of different architectures for amplifier, comparator and time-to-digital converter has been done. Architectures fulfilling the requirements best were then studied meticulously.
It was found that a two stage amplifier with well-fitting characteristics consists of two Common Emitter Amplifiers with DC current feedback. The transmission line (pixel to pheriphery) is placed between the first and second stage with a cascode HBT allowing current transmission. Due to the
current transmission, the rise time of the amplifier output signal is in the order of 1ns. The
equivalent noise charge (ENC) is in the order of 110e⁻ for a minimum input signal.
The matrix’s global design as multi-input differential amplifier reduces size and eliminates
noise affecting all pixels equally.
Additionally, a fast comparator including HBTs was designed and connected to the amplifier.
The resulting RMS time resolution is in the order of 100ps, with time measurement performed by a delay line TDC with an LSB of 50ps.

Lecture language: English