Tecnologia della fotorivelazione basata su dispositivi a semiconduttore

Lo scopo di questa tesi è di descrivere gli attuali dispositivi microelettronici a stato solido (a semiconduttore inorganico) di tipo bulk, ovvero dispositivi privi di nanostrutture confinanti per i portatori di carica mobile, come pozzi, fili e punti quantici (“quantum wells, quantum wires, quantum dots”), adatti a rivelare elettricamente un segnale luminoso incidente, caratterizzato da una certa intensità e frequenza. Presenteremo una panoramica sulle tecniche di fotorivelazione più utilizzate, riservando amplio spazio alla fisica che sta alla base dell’optoelettronica ed accennando brevemente alle applicazioni di maggior interesse, come ad esempio le telecomunicazioni su fibra ottica, i rilevamenti telemetrici o vari tipi di “mapping” per uso di diagnostica medica, terminando con i fotomoltiplicatori, di ultima generazione, candidati ad essere utilizzati nella tomografia ad emissione di positroni (in inglese PET – “Positron Emission Tomography”). Questi ultimi sono noti, in ambito tecnico – scientifico, con il nome di SiPMs (“Silicon Photon Multipliers” – fotomoltiplicatori al silicio). Dei dispositivi per fotorivelazione che prenderemo in esame descriveremo i principi di funzionamento, richiamando alcuni concetti fondamentali di fisica dei semiconduttori e alcune loro proprietà ottiche, le principali caratteristiche e le proprietà in base a cui vengono classificati (ad esempio l’efficienza quantica, l’efficienza di rivelazione dei fotoni, il rapporto segnale/rumore, il guadagno, il range dinamico, la responsività, la risoluzione temporale ecc…) e citeremo brevemente alcune tecnologie e passi di processo importanti che ne consentono l’integrazione a livello sub – micrometrico. Analizzeremo i dispositivi optoelettronici, ad omogiunzioni ed eterogiunzioni, più utilizzati, come i PIN (semiconduttore drogato p/semiconduttore intrinseco/semiconduttore drogato n), gli APDs (“Avalanche Photo Diodes” – fotodiodi a valanga), i SAM – APDs (“Separate Absorption and Multiplication APDs” - fotodiodi a valanga a regioni di assorbimento e moltiplicazione separate), i SAGM – APDs (“Separate Grading Absorption and Multiplication APDs” – SAM a variazione graduale del gap di energia), i GM – APDs (“Geiger Mode APDs” – APDs funzionanti in modalità Geiger) ed i SiPM. Vedremo come il loro impiego consenta di risolvere alcuni dei problemi che interessano i dispositivi a tubo (noti come PMTs – “Photon Multipliers Tubes” - fotomoltiplicatori a tubo), ampiamente usati in passato e tutt’oggi. Infine, una volta chiarite la fisica e la topologia dei suddetti fotorivelatori, illustreremo (in appendice D), a livello di principio, il contestostrumentale nel quale vanno inseriti, al fine di acquisire immagini computerizzate nell’ambito della PET.