Study and development of microelectronics application specific integrated circuits (ASICs) chips for the readout of detectors.

Abstract

Cette thèse porte sur l'étude et le développement d’une électronique intégrée de type ‘applications spécifiques intégrés circuits (ASIC)’ pour la lecture de détecteurs. Les principaux détecteurs ciblés dans notre étude sont des détecteurs semi-conducteurs capacitifs à pistes et à pixels à base de silicium, utilisés pour des applications à rayons X/gamma. Fort des fondamentaux sur les circuits de lecture dans les systèmes de détection des radiations, les différentes architectures des ASICs utilisés dans lesdits circuits de lectures ont été étudiées. Pour la mesure de la trajectoire et l’énergie des particules, le système de lecture est constitué d’une électronique analogique frontale pour l’extraction des charges, l’amplification et le filtrage des signaux extraits puis d’une unité numérique pour l’acquisition des signaux filtrés. L’électronique analogique frontale de type ASIC est constituée d'un amplificateur sensible à la charge (PSC), d’un filtre analogique de premier ordre ou pulse shaper (PS) dont la sortie est discriminée par un comparateur à verrouillage dynamique, circuit principal du module discriminateur. Le PSC étant l'élément clé du circuit analogique, une analyse de son modèle de petits signaux a été faite, permettant de garantir un gain en courant continu suffisamment ; ce qui permet de réduire le temps de collecte des charges, élargir la bande passante et partant gérer un flux important de particules incidents. Sur ce, les paramètres de conception d’un ASIC stable et faible bruits qui a les avantages de consommer une faible puissance ont été identifiés. La conception niveau transistors du circuit a été faite permettant d’intégrer un étage amplificateur dont le gain est commandé par un dispositif externe ; donnant ainsi la possibilité à tout utilisateur externe de contrôler la bande passante du circuit et partant le débit des particules détectées. Les paramètres géométriques et électriques des transistors d'entrée des modules PSC et PS ont été optimisés à savoir la largeur du canal, la transconductance et le courant de drain. La robustesse aux radiations étant fonction du bruit équivalent charge ou ‘équivalent noise charge (ENC)’ l'ENC de notre circuit a été bien analysé, modélisé et optimisé en fonction de la capacité du détecteur ; de la largeur du canal du courant de drain du transistor d’entré du PSC. Nous avons exploré par la suite les effets de chacun de ces paramètres sur l'ENC et avons discuté de la possibilité de traiter un flux de particules élevé tout en préservant la puissance et la résolution énergétique de notre système. Par la suite, nous avons analysé la stratégie de discrimination des impulsions provenant du module analogique de l'ASIC proposé. Considérant qu’en spectroscopie des détecteurs à base de silicium, le temps d'arrivée des particules est un élément crucial pour la détection des photons et la mesure de leur énergie. La sortie du PS est retardée lors de la discrimination des signaux et il en résulte une détection de faux photons et une perte d'énergie, ce qui détériore l'efficacité de détection. Compte tenu de cela, un comparateur à verrouillage dynamique ultra-rapide a été conçu pour minimiser le délai de détection. Nous découvrons que les particules entrantes peuvent être discriminées avec une fréquence d'horloge maximale de 20 GS/s pour un délai inférieur à 15 ps ; donnant ainsi la possibilité de traiter une grande quantité de données tout en détectant des particules ayant un moment transversal de plus de 2 GeV/c. Ces travaux apportent une contribution à l’amélioration du fonctionnement de la chaine de détection et de traitement des particules émises par les détecteurs à semi-conducteurs. Nous apportons de ce fait, une solution aux problèmes de perte d'énergie, de résistance aux radiations et de puissance dissipée rencontrés dans les détecteurs modernes utilisés en Physique des particules en industrie et dans le domaine médicale.