Silicon Photomultiplier (SiPM) structuur, kenmerken en toepassingen

Meer informatie over de structuur, kenmerken en toepassingen van een silicium fotomultiplier (SiPM).

Een silicium fotomultiplier (SiPM) is een solid-state, high-gain stralingsdetector die een uitgangsstroompuls produceert bij absorptie van een foton. Deze op P-N-junctie gebaseerde sensoren met gevoeligheid voor één foton kunnen lichtgolflengten detecteren van bijna-ultraviolet (UV) tot bijna-infrarood (IR).

Over het algemeen biedt de compacte solid-state SiPM een beter alternatief voor omvangrijke fotomultiplicatorbuizen en is geschikt voor het detecteren, kwantificeren en timen van alle lichtniveaus tot op één foton.

SiPM-toepassingen en voordelen

De belangrijkste voordelen van de SiPM zijn onder meer een hoge versterking, werking bij lage spanning, uitstekende timingprestaties, hoge gevoeligheid (tot een enkel foton) en immuniteit voor magnetische velden. Deze eigenschappen maken het een goede keuze voor lichtdetectietoepassingen van enkele tot enkele duizenden fotonen.

SiPM's zijn compacte apparaten die bestand zijn tegen mechanische schokken. Hun uitstekende prestaties maken ze geschikt voor een breed scala aan fotometrische (lichtdetectie) toepassingen, vooral in situaties waar nauwkeurige timing nodig is.

Typische SiPM-toepassingen zijn onder meer biofotonica, LiDAR en 3D-bereik, hoge-energiefysica, aerodeeltjesfysica, sorteren en recyclen, detectie van gevaren en bedreigingen, fluorescentiespectroscopie, scintillatoren, medische beeldvorming en meer.

Marktsectoren voor siliciumfotomultiplicator zijn onder meer de industrie, de ruimtevaart, de auto-industrie, olie en gas, elektronica en informatie- en communicatietechnologie.

Flow cytometer applicatie. Afbeelding gebruikt met dank aan Hamamatsu

Fabrikanten passen vaak de fysieke grootte, het ontwerp en andere parameters van een SiPM aan op basis van de toepassing en het doellicht. UAV-toepassingen gebruiken bijvoorbeeld geminiaturiseerde sensoren, terwijl veld-gammaspectroscopie-operaties afhankelijk zijn van fysiek grotere assemblages. Er zijn ook RGB SiPM's die zijn geoptimaliseerd voor zichtbaar licht en NUV SiPM's voor het bijna-ultraviolette gebied.

SiPM-structuur

Een SiPM bestaat uit een reeks van honderden of duizenden zelfdovende, single-photon lawine fotodiodes (SAPD's), ook wel pixels of microcellen genoemd.

Elke SAPD, ontworpen om te werken wanneer deze vooringenomen is boven de doorslagspanning, heeft een geïntegreerde serie-quenchweerstand, een anode en een kathode voor de standaard SiPM's.

Standaard SiPM-structuur; SPAD's parallel geschakeld

Sommige fabrikanten, zoals SensL, hebben een snelle SiPM-uitgang met een derde uitgangsaansluiting naast de anode en kathode. Deze heeft een geïntegreerde snelle uitgangscondensator bij de SPAD-anode.

SensL snelle uitvoer SiPM. Afbeelding gebruikt met dank aan ON Semiconductor

In praktische toepassingen bestaat de SiPM uit honderden of duizenden parallel geschakelde microcellen. Dit geeft het de mogelijkheid om meerdere fotonen tegelijk te detecteren en is nuttig in verschillende licht- en stralingsdetectietoepassingen. De elektrische output correleert direct met het aantal fotonen dat de pixels absorberen.

Basiswerking van een silicium fotomultiplier

De SAPD-microcellen ter grootte van een micron zijn ontworpen om te werken in de omgekeerde voorgespannen toestand van de Geiger-modus, net boven de doorslagspanning.

Biasing van de SiPM. Afbeelding gebruikt met dank aan ON Semiconductor

Onderstaande figuur toont een equivalent circuit van de APD. Over het algemeen fungeert de P-N-overgang als een door fotonen bediende schakelaar. Zonder dat er licht op de microcel valt, is schakelaar S open en is de spanning op de junctiecapaciteit CJ V_BIAS .

Equivalent circuit van een SiPM. Afbeelding gebruikt met dank aan Hamamatsu

Wanneer een foton op de microcel landt, genereert het een elektron-gatpaar. Een van de ladingsdragers drijft vervolgens naar het lawinegebied waar het een zichzelf in stand houdend lawineproces initieert en stroom vloeit. Indien niet uitgeblust, zal de stroom voor onbepaalde tijd vloeien.

SiPM-uitgangsstroompuls van een microcel bij absorptie van een foton. Afbeelding gebruikt met dank aan First Sensor

De schakelaar S sluit onmiddellijk bij het begin van de lawine en CJ-ontladingen van V_BIAS naar V_BD (doorslagspanning) via Rs (APD interne weerstand) met een tijdconstante van R_S C_J .

Terwijl het blussen plaatsvindt, wordt schakelaar S geopend en V_BIAS laadt C_J . op met de tijdconstante R_Q C_J . De APD bevindt zich in de herstelfase en keert terug naar de Geiger-modus in afwachting van de detectie van een nieuw foton.

Kenmerken van SiPM's

Fotondetectie-efficiëntie (PDE)

De fotondetectie-efficiëntie of PDE kwantificeert het vermogen van de SiPM om fotonen te detecteren. Dit verwijst naar de verhouding tussen het aantal gedetecteerde fotonen en het aantal dat de SiPM bereikt. De PDE is een functie van de overspanning ΔV over de klemmen van de APD en golflengte λ van het invallende foton.

Doorbraakspanning

De doorslagspanning (V_BD ) in een SiPM is de minimale (omgekeerde) voorspanning die resulteert in een zichzelf in stand houdende lawinevermenigvuldiging. Wanneer V_BIAS is boven V_BD de SAPD geeft een stroompuls af. Het verschil tussen V_BIAS en V_BD is de overspanning V die de werking van de SiPM regelt. Het verhogen van de overspanning V verbetert de PDE- en SiPM-prestaties. Er is echter een bovengrens waarboven de ruis en andere storingen, die toenemen met overspanning, de werking van SiPM gaan verstoren.

De doorslagspanning is afhankelijk van de temperatuur en andere SPAD-kenmerken. Als zodanig specificeren de datasheets meestal de doorslagspanningen voor verschillende temperaturen.

Hersteltijd

Dit is de tijd die nodig is tussen het uitdoven van de lawine en het moment waarop de microcel volledig is gereset en het vermogen krijgt om een ​​binnenkomend foton te detecteren. Tijdens de hersteltijd verliest de microcel enigszins zijn vermogen om nieuwe binnenkomende fotonen te detecteren. De tijdconstante van de herstelfase is R_Q C_J .

Temperatuurkenmerken

De temperatuur heeft een directe invloed op de doorslagspanning, versterking, junctiecapaciteit, donkere tellingen en de efficiëntie van fotondetectie. In het bijzonder is de doorslagspanning hoger bij verhoogde temperaturen en zal deze de versterking en het fotondetectierendement beïnvloeden, die recht evenredig zijn met de overspanning. Hogere temperaturen vergroten ook de kans op donkere gebeurtenissen als gevolg van thermisch gegenereerde ladingsdragers.

Ruis in silicium fotomultiplier

Halfgeleideronzuiverheden en andere factoren veroorzaken vaak willekeurige uitgangspulsen, zowel bij aanwezigheid als bij afwezigheid van licht.

Primaire ruis – donkere gebeurtenis

Thermische agitatie en andere factoren leiden vaak tot het ontstaan ​​van willekeurige elektron-gatparen en dragers. Als de willekeurige drager het lawinegebied van het uitputtingsgebied van de APD binnengaat, reist het door het hoogveldgebied waar het een lawine-geigerontlading en een uitgangsstroompuls veroorzaakt. Het genereren van de puls in afwezigheid van licht staat bekend als een donkere gebeurtenis. De dark count rate verwijst naar het aantal dark events in een bepaalde periode en wordt uitgedrukt als counts per second (cps).

Gecorreleerde ruis

Gecorreleerde ruis verwijst naar de output van de secundaire lawine-ontladingen veroorzaakt door een eerdere foton of donkere gebeurtenis. De twee belangrijkste soorten gecorreleerde ruis zijn de gebeurtenissen Afterpulsing (AP) en Optical Crosstalk (OC).

Na pulseren

Afterpulsing treedt op wanneer dragers die tijdens de lawinevermenigvuldiging in het silicium zijn gevangen, worden ontladen tijdens de herstelfase van de SAPD. De dragers genereren uiteindelijk een nieuwe secundaire stroompuls van een kleinere omvang dan het origineel.

Normale SiPM-uitgangspuls en afterpulsing-ruisuitgangsgrafiek

Optische overspraak in een SiPM

Optimale overspraak (OC) treedt op wanneer een primaire lawine in een microcel een secundaire lawine in aangrenzende microcellen veroorzaakt. Het netto-effect van de secundaire ontlading (lawine) op de uitgangsstroompuls is dat deze de amplitude van het uitgangssignaal vergroot, zodat deze hoger is dan die geproduceerd door het invallende foton.

De kans op optische overspraak (OC) neemt toe met overspanning.

Conclusie

Silicium fotomultipliers zijn compacte, solid-state optische detectieapparaten met een hoge versterking en het vermogen om licht te detecteren tot op het fotonniveau. De technologie vindt toepassingen in een groot aantal gebieden en industrieën, maar heeft enkele nadelen, zoals ruis, die de prestaties kunnen beperken. De SiPM-technologie wordt echter nog steeds verbeterd en heeft een groot potentieel naarmate het volwassener wordt.