General principles of pixel detectors

Principes généraux des détecteurs à pixels

	Les détecteurs à pixels sont des détecteurs à semi-conducteur conventionnels tels que les détecteurs à micropistes. La différence réside dans la segmentation de la couche qui collecte les charges. Dans le cas des détecteurs à micropistes, cette segmentation est uni-dimensionnelle alors que pour les détecteurs à pixels elle est bi-dimensionnelle.
	Pixel detectors are conventionnal semi-conductor detectors as microstrip detectors. The difference is the segmentation of the charge collection layer. In the case of the microstrip detectors, this segmentation is done along one direction only whereas for the pixel detectors this segmentation is done along two dimensions.

Cette différence a deux implications directes: pour avoir une information en deux dimensions avec un détecteur à micropistes, il faut dessiner des pistes perpendiculaires aux premières sur la face arrière des détecteurs, ce qui rend ces détecteurs beaucoup plus complexes à fabriquer, alors que le dos des détecteurs à pixels est uniforme. De plus, l'information restant purement uni-dimensionnelle, des ambiguités apparaissent dès que deux particules au moins ont traversé le même détecteur. Avec un détecteur à pixels, aucune ambiguité n'est possible.     la lecture des pistes peut se faire par les côtés des détecteurs alors que la lecture des pixels ne peut se faire que par le dessus, ce qui pose des problèmes de connection avec l'électronique de lecture. De plus, le nombre de pistes est proportionnel au périmètre du détecteur alors que le nombre de pixels est proportionnel à sa surface. Ainsi, il faut beaucoup plus de pixels que de pistes pour la même surface.

This difference has two consequences: in order to have two dimension information with a microstrip detector, there must be perpendicular strips on the bottom of the detector. These double-sided detectors are much more complicated to make whereas the backside of a pixel detectors is uniform. Moreover, as soon as two particles hit a microstrip detector, ambiguities arise from the fact that the basic information contain only one dimension. Ambiguities are not possible with a pixel detector.     readout of the strips can be done on the sides of the detector whereas readout of the pixels can be done only from top. It implies very complex connecting problems with the readout electronics. Moreover, the number of strips is proportionnal to the length of the sides of the detector whereas the number of pixels is proportionnal to its surface. Therefore, much more pixels than strips are needed for the same area.

Les détecteurs à pixels sont constitués par un sandwich de deux plaques de silicium. La première est le substrat détecteur sur lequel sont dessinés les pixels. La seconde est un circuit électronique de lecture des pixels. Il existe une cellule de lecture individuelle pour chaque pixel. La connection entre chaque pixel et sa cellule de lecture se fait par microbille. En pratique, c'est la taille des cellules de lecture qui impose la taille des pixels, car il est très difficile d'intégrer une cellule analogique ainsi qu'un système de lecture permettant de ne lire que les pixels ayant été touchés (afin de résuire le nombre de données à lire) sur une surface la plus petite possible (de l'ordre de 0,025mm2).

Pixel detectors look like a sandwich of two silicon plates. The first one is the detector substrate on which are drawn the pixels. The second one is the pixel readout electronic chip. It contains one individual readout cell for each pixel. The connection between each pixel and its readout cell is done using microbumps. Practically, the pixel size must be the same as the readout cell, because it is very difficult to integrate an analog cell and a readout system allowing to read only the hit pixels (in order to reduce the number of data to readout) on the smallest possible area (on the order of 0.025mm2).