这篇文章属于类型b，我将根据要求生成学术报告：
本文的作者为Davide Braga, Shaorui Li以及Farah Fahim，发表于2021年春季的《IEEE Solid-State Circuits Magazine》。文章聚焦于低温电子学技术在高能物理（High-Energy Physics, HEP）中的发展及应用，涵盖设计思想、技术优势、挑战及前瞻性讨论。
本文主题是低温CMOS电子学及其在高能物理实验中的关键作用。文章主要讨论了如何设计低温CMOS集成电路（cryogenic CMOS integrated circuits, ICs）以满足大规模高能物理实验的需求。内容涵盖了低温电子学的背景、挑战、技术细节，以及低温IC设计涉及的各个方面，如低噪声、高可靠性、寿命管理、低功耗等。此外，文章探讨了这项技术的未来发展方向及其在量子信息科学等领域的交叉应用。
文章开篇强调，低温电子学是指在标准温度范围（如军事级电子学为-55°C以上）以下工作的电路，其温度可低至毫开尔文。例如，超导电路需要极低温度（毫开尔文），而大规模HEP实验中常用到像液氮（77 K）或液氩（87 K）环境下的电子学技术。低温CMOS电路在高能物理实验中具有重要意义，能够实现对弱信号的高效探测，同时提供极佳的噪声特性和稳定性。
低温大规模探测器（如液氩时间投影室，Liquid Argon Time Projection Chamber, LAr TPC）在中微子研究、超新星中微子爆发、以及质子衰变等领域具有广泛的应用潜力。特别是对大规模、大体积探测器的要求，使得低温电子学发展成为一项关键技术。
支持理论与证据： - LAr能够提供高的信号效率和背景抑制能力； - 提高信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）是探测弱相互作用粒子的核心需求； - 作者通过引用多个低温电子学和HEP实验案例（如DUNE、MicroBooNE等）说明其背景和需求。
文章系统性地讨论了低温电子学设计的关键考虑因素，包括低噪声、低功耗、可靠性和稳定性、输入电容最小化、多路复用设计、低温下器件寿命、以及跨温度范围的操作。
低噪声是低温CMOS设计的一个重要目标。由于低温下硅材料的电子迁移率提升及热噪声降低，CMOS器件在低温环境下可以实现显著更高的信号质量。文章强调了输入电容对噪声性能的影响，尤其对于没有增益的探测器（如单相液氩TPCs），低噪声电子学能够以更高的信噪比提供能量和粒子信息。
支持证据： - 描述噪声方程及其影响因素（如氧化物电容、频率依赖性等）； - 提到通过低温实验验证的噪声特性和关键器件优化过程； - 对比PMOS与NMOS在低噪声前端的性能差异，指出PMOS更具优势。
低温电子学需在极端环境下长时间稳定运行。DUNE实验需要其电子组件在液氩中连续工作超过20年，文章详细论述了CMOS器件在低温下的寿命问题，特别是器件因热电子效应及氧化物陷阱电荷引起的退化。
支持证据： - 传统应力测试与反向电压测量用于评估器件寿命； - 提到了针对功能单元热载流子退化的缓解措施，如降低电压设计； - 不同工艺节点（如180纳米、65纳米）的对比数据表明，可以通过优化设计进一步提升寿命。
文章强调，通过多路复用设计（如64通道控制及通信ASICs），可以显著减少冷却模块的信号线数量及能量消耗，并优化探测器的设计。例如，针对像DUNE这样的实验，保证低功耗设计可避免温度梯度和可能影响高压偏置的气泡生成。
支持证据： - 提及DUNE每通道功耗约35mW的安全设计； - 采用自触发数字化及菊花链多路复用设计以进一步降低功耗，具体案例中每通道功耗低于100μW。
低温IC通常需要兼容室温操作以简化测试和生产。文章引用了一个数据集中器芯片的例子，其通过扩展的分频锁相环频率范围支持冷温两用，实现了低温与室温连接电缆的插损验证及数据率测试。
文章深入描述了DUNE实验的前端IC设计，包括ASIC实现、ADC校准、数据聚合器模块及数字库开发的详细工作流程。以DUNE为例，文章说明低温IC从设计、测试到应用的全过程，每个部分都有详尽的验证数据。
支持证据： - 描述了目标实验的规模（如DUNE中每个液氩模组包含384千感应元件，总液氩质量为70kt）； - 针对ADCs使用动态和静态线性校准，以提高测量精度； - 详述了DUNE单相液氩TPC所需的读出架构及其性能指标。
本文总结了低温电子学技术的最新进展及其在HEP中的实际应用，对未来科学研究具有重要意义。低温CMOS设计不仅支持大规模探测器的建设，还促进了量子科学（Quantum Science）等领域的技术交叉。文章指出，未来低温电子学技术将在极低功耗、高速度及高分辨率的方向上进一步发展。
此外，低温CMOS系统在暗物质探测、量子感应、影像传感、通信及计算等领域也具备重要价值。这种跨学科协作正在将突破性的电子技术转移到更广阔的科学和技术应用中。