Кремниевый фотоумножитель (SiPM), структура, характеристики и применение

Узнайте о структуре, характеристиках и областях применения кремниевого фотоумножителя (SiPM).

Кремниевый фотоумножитель (SiPM) - это твердотельный детектор излучения с высоким коэффициентом усиления, который вырабатывает импульс выходного тока при поглощении фотона. Эти датчики на основе P-N-перехода с однофотонной чувствительностью могут обнаруживать длины волн света от ближнего ультрафиолетового (УФ) до ближнего инфракрасного (ИК) диапазона.

Как правило, компактный твердотельный SiPM представляет собой лучшую альтернативу громоздким фотоумножителям и подходит для измерения, количественной оценки и синхронизации всех уровней света вплоть до одного фотона.

Приложения и преимущества SiPM

Основные преимущества SiPM включают высокое усиление, работу при низком напряжении, отличные временные характеристики, высокую чувствительность (вплоть до одиночного фотона) и невосприимчивость к магнитным полям. Эти характеристики делают его хорошим выбором для приложений обнаружения света от одиночных до нескольких тысяч фотонов.

SiPM - это компактные устройства, способные выдерживать механические удары. Благодаря своим превосходным характеристикам они подходят для широкого спектра приложений фотометрии (обнаружения света), особенно в ситуациях, когда необходима точная синхронизация.

Типичные приложения SiPM включают биофотонику, LiDAR и 3D-определение дальности, физику высоких энергий, физику аэродинамических частиц, сортировку и переработку, обнаружение опасностей и угроз, флуоресцентную спектроскопию, сцинтилляторы, медицинскую визуализацию и многое другое.

Секторы рынка кремниевых фотоумножителей включают промышленность, аэрокосмическую промышленность, автомобилестроение, нефть и газ, электронику, а также информационные и коммуникационные технологии.

Приложение проточного цитометра. Изображение предоставлено Хамамацу

Производители часто настраивают физический размер, конструкцию и другие параметры SiPM в зависимости от области применения и целевого света. Например, в приложениях БПЛА используются миниатюрные датчики, в то время как операции полевой гамма-спектроскопии полагаются на физически более крупные сборки. Кроме того, существуют SiPM RGB, оптимизированные для видимого света, и SiPM NUV для ближнего ультрафиолетового диапазона.

Структура SiPM

SiPM состоит из массива из сотен или тысяч самозатухающих однофотонных лавинных фотодиодов (SAPD), также называемых пикселями или микроэлементами.

Каждый SAPD, предназначенный для работы при смещении выше напряжения пробоя, имеет встроенный последовательный гасящий резистор, анод и катод для стандартных SiPM.

Стандартная структура SiPM; SPAD подключены параллельно

Некоторые производители, такие как SensL, имеют SiPM с быстрым выходом с третьей выходной клеммой в дополнение к аноду и катоду. Он имеет встроенный быстрый выходной конденсатор на аноде SPAD.

SiPM быстрого вывода SensL. Изображение любезно предоставлено ON Semiconductor

В практических приложениях SiPM состоит из сотен или тысяч параллельных микроэлементов. Это дает ему возможность обнаруживать несколько фотонов одновременно и полезно в различных приложениях обнаружения света и излучения. Электрическая мощность напрямую зависит от количества фотонов, поглощаемых пикселями.

Основные операции кремниевого фотоумножителя

Микроэлементы SAPD микронного размера предназначены для работы в режиме обратного смещения в режиме Гейгера, чуть выше напряжения пробоя.

Смещение SiPM. Изображение любезно предоставлено ON Semiconductor

На рисунке ниже показана эквивалентная схема ЛФД. Как правило, P-N-переход действует как переключатель с фотонным управлением. Если свет не падает на микроэлемент, переключатель S разомкнут, и напряжение на переходной емкости CJ равно V _BIAS .

Эквивалентная схема SiPM. Изображение предоставлено Хамамацу

Когда фотон попадает на микроячейку, он генерирует электронно-дырочную пару. Затем один из носителей заряда дрейфует в область лавины, где он инициирует самоподдерживающийся лавинообразный процесс и протекает ток. Если не гасить, ток будет течь бесконечно.

Импульс тока на выходе SiPM из микроячейки при поглощении фотона. Изображение предоставлено компанией First Sensor

Переключатель S мгновенно замыкается при возникновении лавины и разрядах CJ от V _BIAS кому:V _BD (напряжение пробоя) через Rs (внутреннее сопротивление APD) с постоянной времени R _S С _J .

Когда происходит гашение, переключатель S размыкается и V _BIAS перезаряжает C _J с постоянной времени R _Q С _J . APD находится в фазе восстановления и возвращается в режим Гейгера, ожидая обнаружения нового фотона.

Характеристики SiPM

Эффективность обнаружения фотонов (PDE)

Эффективность обнаружения фотонов или PDE количественно определяет способность SiPM обнаруживать фотоны. Это относится к отношению количества обнаруженных фотонов к количеству фотонов, которые достигают SiPM. PDE является функцией перенапряжения ΔV на выводах APD и длины волны λ падающего фотона.

Напряжение пробоя

Напряжение пробоя (В _BD ) в SiPM - это минимальное (обратное) напряжение смещения, которое приводит к самоподдерживающемуся лавинному умножению. Когда V _BIAS выше V _BD SAPD выдает импульс тока. Разница между V _BIAS и V _BD - перенапряжение ΔV, которое контролирует работу SiPM. Увеличение перенапряжения ΔV улучшает характеристики PDE и SiPM. Однако существует верхний предел, при превышении которого шум и другие помехи, которые увеличиваются с повышением напряжения, начинают мешать работе SiPM.

Напряжение пробоя зависит от температуры и других характеристик SPAD. Таким образом, в таблицах данных обычно указываются напряжения пробоя для различных температур.

Время восстановления

Это время, которое проходит между гашением лавины и моментом, когда микроячейка полностью перезагружается и получает способность обнаруживать входящий фотон. За время восстановления микроэлемент немного теряет способность обнаруживать новые поступающие фотоны. Постоянная времени фазы восстановления R _Q С _J .

Температурные характеристики

Температура напрямую влияет на напряжение пробоя, усиление, емкость перехода, темновые отсчеты и эффективность обнаружения фотонов. В частности, напряжение пробоя выше при повышенных температурах и будет влиять на усиление и эффективность регистрации фотонов, которые прямо пропорциональны перенапряжению. Более высокие температуры также увеличивают вероятность темных событий из-за термически генерируемых носителей заряда.

Шум в кремниевом фотоумножителе

Примеси полупроводников и другие факторы часто вызывают случайные выходные импульсы как в присутствии, так и в отсутствие света.

Первичный шум - Темное событие

Тепловое перемешивание и другие факторы часто приводят к генерации случайных электронно-дырочных пар и носителей. Если случайный носитель попадает в область лавины обедненной области APD, он проходит через область сильного поля, где запускает лавинный разряд Гейгера и импульс выходного тока. Генерация импульса в отсутствие света называется темновым событием. Скорость счета темноты относится к количеству событий темноты за определенный период и выражается в количестве импульсов в секунду (cps).

Коррелированный шум

Коррелированный шум относится к выходному сигналу вторичных лавинных разрядов, вызванных предыдущим фотоном или темновым событием. Двумя основными типами коррелированного шума являются события Afterpulsing (AP) и оптические перекрестные помехи (OC).

Послеимпульс

Постимпульс происходит, когда носители, захваченные во время лавинного умножения в кремнии, разряжаются во время фазы восстановления SAPD. Несущие в конечном итоге генерируют новый вторичный импульс тока меньшей силы, чем исходный.

График выходного импульса нормального SiPM и постимпульсного шума

Оптические перекрестные помехи в SiPM

Оптимальные перекрестные помехи (OC) возникают, когда первичная лавина в одном микроячейке запускает вторичную лавину в соседних микроячейках. Чистый эффект вторичного разряда (лавины) на импульс выходного тока состоит в том, что он увеличивает амплитуду выходного сигнала, так что она выше, чем амплитуда падающего фотона.

Вероятность оптических перекрестных помех (OC) увеличивается с увеличением напряжения.

Заключение

Кремниевые фотоумножители - это компактные твердотельные оптические сенсорные устройства с высоким коэффициентом усиления и способностью обнаруживать свет вплоть до фотонного уровня. Эта технология находит применение в широком диапазоне областей и отраслей, но имеет несколько недостатков, таких как шум, которые могут ограничивать ее производительность. Однако технология SiPM все еще совершенствуется и имеет большой потенциал по мере развития.