Кремниевый фотоумножитель

В твердотельной электронике кремниевые фотоумножители ( SiPM ) представляют собой однофотонные чувствительные устройства на основе однофотонных лавинных диодов (SPAD), реализованных на общей кремниевой подложке. ^[1] Размер каждого отдельного SPAD может варьироваться от 10 до 100 микрометров , а плотность до 10 000 на квадратный миллиметр. Каждый SPAD в SiPM работает в режиме Гейгера и связан с другими из металла или поликремния гасящим резистором . Хотя устройство работает в цифровом/коммутационном режиме, большинство SiPM являются аналоговыми устройствами , поскольку микроячейки считываются параллельно, что позволяет генерировать сигналы с динамическим диапазоном от одного фотона до 1000 фотонов для устройства площадью всего квадратный миллиметр. . приложений используются более продвинутые схемы считывания Для лидарных . ^[2] питания Напряжение ( $В b$ ) зависит от используемой технологии ЛФД и обычно варьируется от 20 В до 100 В, что в 15–75 раз ниже напряжения, необходимого для работы традиционного фотоумножителя (ФЭУ).

Типичные характеристики SiPM:

Эффективность фотодетектирования (PDE) варьируется от 20 до 50%, в зависимости от устройства и длины волны, что аналогично традиционному ФЭУ.
Усиление ( $G$ ) также похоже на ФЭУ и составляет около 10 ⁶
$Зависимость G$ от $V b$ линейна и не подчиняется степенному закону , как в случае с ФЭУ.
Временной джиттер оптимизирован таким образом, чтобы разрешение времени прибытия фотонов составляло около 100–300 пс.
Время затухания сигнала обратно пропорционально корню квадратному из числа фотоэлектронов в пределах события возбуждения.
Параметры сигнала практически не зависят от внешних магнитных полей, в отличие от вакуумных ФЭУ.
Вероятность послеимпульса (3–30%), определяемая как вероятность ложных вторых импульсов после прибытия одиночного фотона.
Плотность темнового счета – частота импульсов в отсутствие освещения (10 ⁵-10 ⁶ импульсов/с/мм ²)
Небольшие размеры и низкое напряжение обеспечивают чрезвычайно компактную, легкую и прочную механическую конструкцию.

SiPM для медицинской визуализации являются привлекательными кандидатами на замену обычных ФЭУ в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и ОФЭКТ , поскольку они обеспечивают высокий коэффициент усиления при низком напряжении и быстрый отклик, они очень компактны и совместимы с магнитного резонанса установками . Тем не менее, есть еще несколько проблем, например, SiPM требует оптимизации для более крупных матриц, усиления сигнала и оцифровки.

Сравнение с ламповыми фотоумножителями

Преимущества

По сравнению с обычными ФЭУ , коэффициент усиления фотоэлектронов в SiФЭУ обычно более детерминирован, что приводит к низкому или даже незначительному коэффициенту избыточного шума . В результате SNR ( отношение сигнал/шум ) для фиксированного количества обнаруженных фотонов может быть выше, чем у ФЭУ. И наоборот, стохастический выигрыш ФЭУ обычно требует большего количества обнаруженных фотонов для получения того же отношения сигнал/шум.

Массовое производство кремниевой электроники несколькими поставщиками позволяет производить SiPM очень дешево по сравнению с электронными лампами.

Напряжения смещения в 10–100 раз ниже, что упрощает электронику.

В диапазоне от красного до ближнего инфракрасного диапазона кремний обеспечивает гораздо более высокую квантовую эффективность, чем доступные материалы фотокатода ФЭУ.

Динамический диапазон может быть на несколько порядков больше, чем у ФЭУ, если большое количество SPAD объединено вместе, что обеспечивает более высокую скорость формирования изображений или более высокое отношение сигнал/шум без насыщения.

Они используются в космических телескопах в качестве канала считывания, например, в гамма-лучей Transients Monitor , первом астрономическом спутнике Тайваня мониторе .

Недостатки

Темновой ток обычно намного выше при данной температуре, чем у ФЭУ. Таким образом, для SiPM может потребоваться охлаждение при температуре окружающей среды, тогда как для ФЭУ, используемого в том же приложении, этого может не потребоваться, что приводит к увеличению сложности и стоимости. Точно так же получение больших активных площадей может быть затруднено из-за более высокого количества темноты на площадь, чем в ФЭУ.

Импульсная характеристика SiPM имеет сложную многоэкспоненциальную форму. По сравнению с ФЭУ для получения симметричной формы импульса или однородной частотной характеристики может потребоваться более сложная аналоговая фильтрация или электроника формирования импульса.

Сравнение с лавинными фотодиодами

Обычные лавинные фотодиоды (ЛФД) также производят усиленный аналоговый ток в ответ на поглощение света. Однако в ЛФД общий коэффициент усиления намного ниже, а коэффициент избыточного шума намного выше. И наоборот, квантовая эффективность может быть выше, а тёмный шум — ниже.

См. также

Фотоумножитель

Ссылки

^ Маскотто, Массимо (17 февраля 2011 г.), Технология кремниевых фотоумножителей в STMicroelectronics (PDF) , получено 25 июля 2020 г.
^ Датчик времени полета нового поколения на большие расстояния, основанный на технологии ST FlightSense ™.

[1] Маскотто, Массимо (17 февраля 2011 г.), Технология кремниевых фотоумножителей в STMicroelectronics (PDF) , получено 25 июля 2020 г.

[2] Датчик времени полета нового поколения на большие расстояния, основанный на технологии ST FlightSense ™.

[1]

[2]