Struktur, Eigenschaften und Anwendungen von Silizium-Photomultiplier (SiPM)

Erfahren Sie mehr über den Aufbau, die Eigenschaften und die Anwendungen eines Silizium-Photomultipliers (SiPM).

Ein Silizium-Photomultiplier (SiPM) ist ein Festkörper-Strahlungsdetektor mit hoher Verstärkung, der bei Absorption eines Photons einen Ausgangsstromimpuls erzeugt. Diese Sensoren auf P-N-Übergangsbasis mit Einzelphotonenempfindlichkeit können Lichtwellenlängen vom nahen Ultraviolett (UV) bis zum nahen Infrarot (IR) erkennen.

Im Allgemeinen bietet das kompakte Festkörper-SiPM eine bessere Alternative zu sperrigen Photomultiplier-Röhren und eignet sich zum Erfassen, Quantifizieren und Timing aller Lichtpegel bis hin zu einem einzelnen Photon.

SiPM-Anwendungen und -Vorteile

Zu den Hauptvorteilen des SiPM gehören hohe Verstärkung, Niederspannungsbetrieb, hervorragende Timing-Leistung, hohe Empfindlichkeit (bis hin zu einem einzelnen Photon) und Immunität gegenüber Magnetfeldern. Diese Eigenschaften machen es zu einer guten Wahl für Lichtdetektionsanwendungen von einzelnen bis zu mehreren tausend Photonen.

SiPMs sind kompakte Geräte mit der Fähigkeit, mechanischen Stößen standzuhalten. Aufgrund ihrer hervorragenden Leistung eignen sie sich für eine Vielzahl von Photometrieanwendungen (Lichterkennung), insbesondere in Situationen, in denen ein präzises Timing erforderlich ist.

Typische SiPM-Anwendungen umfassen Biophotonik, LiDAR und 3D-Bereich, Hochenergiephysik, Aeroteilchenphysik, Sortieren und Recycling, Gefahren- und Bedrohungserkennung, Fluoreszenzspektroskopie, Szintillatoren, medizinische Bildgebung und mehr.

Zu den Marktsektoren für Silizium-Photomultiplier gehören Industrie, Luft- und Raumfahrt, Automobil, Öl und Gas, Elektronik sowie Informations- und Kommunikationstechnologie.

Durchflusszytometer-Anwendung. Bild mit freundlicher Genehmigung von Hamamatsu

Hersteller passen die physische Größe, das Design und andere Parameter eines SiPM häufig an die Anwendung und das Ziellicht an. Beispielsweise verwenden UAV-Anwendungen miniaturisierte Sensoren, während Feld-Gamma-Spektroskopie-Operationen auf physikalisch größeren Baugruppen beruhen. Außerdem gibt es RGB-SiPMs, die für sichtbares Licht optimiert sind, und NUV-SiPMs für den nahen Ultraviolettbereich.

SiPM-Struktur

Ein SiPM besteht aus einem Array von Hunderten oder Tausenden von selbstlöschenden Einzelphotonen-Lawinen-Photodioden (SAPDs), auch als Pixel oder Mikrozellen bezeichnet.

Jeder SAPD, der so ausgelegt ist, dass er über der Durchbruchspannung vorgespannt wird, verfügt über einen integrierten Serienlöschwiderstand, eine Anode und eine Kathode für die Standard-SiPMs.

Standard-SiPM-Struktur; SPADs parallel geschaltet

Einige Hersteller, wie beispielsweise SensL, haben einen SiPM mit schneller Ausgangsleistung mit einem dritten Ausgangsanschluss zusätzlich zu Anode und Kathode. Dieser hat einen integrierten schnellen Ausgangskondensator an der SPAD-Anode.

SensL schnelle Ausgabe SiPM. Bild mit freundlicher Genehmigung von ON Semiconductor

In praktischen Anwendungen besteht das SiPM aus Hunderten oder Tausenden von Mikrozellen parallel. Dies gibt ihm die Fähigkeit, mehrere Photonen gleichzeitig zu detektieren und ist in verschiedenen Licht- und Strahlungsdetektionsanwendungen nützlich. Die elektrische Leistung korreliert direkt mit der Anzahl der Photonen, die die Pixel absorbieren.

Grundlegende Funktionsweise eines Silizium-Photomultipliers

Die mikrometergroßen SAPD-Mikrozellen sind für den Betrieb im Sperrzustand des Geiger-Modus knapp über der Durchbruchspannung ausgelegt.

Biasing des SiPM. Bild mit freundlicher Genehmigung von ON Semiconductor

Die folgende Abbildung zeigt ein Ersatzschaltbild des APD. Im Allgemeinen wirkt der P-N-Übergang als photonenbetriebener Schalter. Ohne dass Licht auf die Mikrozelle fällt, ist der Schalter S geöffnet und die Spannung an der Übergangskapazität CJ beträgt V_BIAS .

Ersatzschaltung eines SiPM. Bild mit freundlicher Genehmigung von Hamamatsu

Wenn ein Photon auf der Mikrozelle landet, erzeugt es ein Elektron-Loch-Paar. Einer der Ladungsträger driftet dann in das Lawinengebiet, wo er einen selbsterhaltenden Lawinenprozess einleitet und Strom fließt. Wenn er nicht gelöscht wird, fließt der Strom auf unbestimmte Zeit.

SiPM-Ausgangsstromimpuls von einer Mikrozelle nach Absorption eines Photons. Bild mit freundlicher Genehmigung von First Sensor

Der Schalter S schließt sofort bei der Auslösung der Lawine und CJ entlädt sich von V_BIAS zu V_BD (Durchbruchspannung) durch Rs (APD-Innenwiderstand) mit einer Zeitkonstante von R_S C_J .

Wenn das Quenchen auftritt, öffnet der Schalter S und V_BIAS lädt C_J . auf mit der Zeitkonstante R_Q C_J . Die APD befindet sich in der Erholungsphase und kehrt in den Geiger-Modus zurück, um auf die Erkennung eines neuen Photons zu warten.

Eigenschaften von SiPMs

Photonenerkennungseffizienz (PDE)

Die Photonendetektionseffizienz oder PDE quantifiziert die Fähigkeit des SiPM, Photonen zu detektieren. Dies bezieht sich auf das Verhältnis der Anzahl der detektierten Photonen zu denen, die das SiPM erreichen. Die PDE ist eine Funktion der Überspannung ΔV an den Anschlüssen der APD und der Wellenlänge λ des einfallenden Photons.

Durchbruchsspannung

Die Durchbruchspannung (V_BD ) in einem SiPM ist die minimale (umgekehrte) Vorspannung, die zu einer selbsterhaltenden Lawinenvervielfachung führt. Wenn V_BIAS liegt über V_BD der SAPD gibt einen Stromimpuls aus. Der Unterschied zwischen V_BIAS und V_BD ist die Überspannung ΔV, die den Betrieb des SiPM steuert. Eine Erhöhung der Überspannung ΔV verbessert die PDE- und SiPM-Leistung. Es gibt jedoch eine Obergrenze, ab der das Rauschen und andere Störungen, die mit der Überspannung zunehmen, den SiPM-Betrieb stören.

Die Durchbruchspannung hängt von der Temperatur und anderen SPAD-Eigenschaften ab. Daher geben die Datenblätter normalerweise die Durchbruchspannungen für verschiedene Temperaturen an.

Erholungszeit

Dies ist die Zeit, die zwischen dem Löschen der Lawine und dem vollständigen Zurücksetzen der Mikrozelle vergeht und die Fähigkeit erlangt, ein einfallendes Photon zu erkennen. Während der Erholungszeit verliert die Mikrozelle leicht ihre Fähigkeit, neu einfallende Photonen zu erkennen. Die Zeitkonstante der Erholungsphase ist R_Q C_J .

Temperatureigenschaften

Die Temperatur beeinflusst direkt die Durchbruchspannung, Verstärkung, Sperrschichtkapazität, Dunkelzahlen und die Photonenerkennungseffizienz. Insbesondere ist die Durchbruchspannung bei erhöhten Temperaturen höher und beeinflusst die Verstärkung und die Photonenerkennungseffizienz, die direkt proportional zur Überspannung sind. Höhere Temperaturen erhöhen auch die Wahrscheinlichkeit von Dunkelereignissen aufgrund thermisch erzeugter Ladungsträger.

Rauschen im Silizium-Photomultiplier

Halbleiterverunreinigungen und andere Faktoren verursachen häufig zufällige Ausgangsimpulse sowohl in Gegenwart als auch in Abwesenheit von Licht.

Primärrauschen – Dunkelereignis

Thermische Bewegung und andere Faktoren führen oft zur Erzeugung zufälliger Elektron-Loch-Paare und -Träger. Wenn der Zufallsträger in die Lawinenregion der Verarmungsregion der APD eindringt, wandert er durch den Hochfeldbereich, wo er eine Lawinen-Geiger-Entladung und einen Ausgangsstromimpuls auslöst. Die Erzeugung des Pulses in Abwesenheit von Licht wird als Dunkelereignis bezeichnet. Die Dunkelzählrate bezieht sich auf die Anzahl der Dunkelereignisse in einem bestimmten Zeitraum und wird als Zählungen pro Sekunde (cps) ausgedrückt.

Korreliertes Rauschen

Korreliertes Rauschen bezieht sich auf die Ausgabe der sekundären Lawinenentladungen, die durch ein vorheriges Photon oder ein dunkles Ereignis ausgelöst wurden. Die beiden Haupttypen von korreliertem Rauschen sind die Ereignisse Afterpulsing (AP) und Optical Crosstalk (OC).

Nachpulsieren

Nachpulsen tritt auf, wenn während der Lawinenvervielfachung im Silizium eingefangene Ladungsträger während der Erholungsphase des SAPD entladen werden. Die Ladungsträger erzeugen am Ende einen neuen sekundären Stromimpuls mit einer geringeren Stärke als der ursprüngliche.

Normaler SiPM-Ausgangspuls und Nachpulsrauschen-Ausgangskurve

Optisches Übersprechen in einem SiPM

Optimales Übersprechen (OC) tritt auf, wenn eine primäre Lawine in einer Mikrozelle eine sekundäre Lawine in benachbarten Mikrozellen auslöst. Der Nettoeffekt der Sekundärentladung (Lawine) auf den Ausgangsstromimpuls besteht darin, dass sie die Amplitude des Ausgangssignals erhöht, so dass sie höher ist als die durch das einfallende Photon erzeugte.

Die Wahrscheinlichkeit von optischem Übersprechen (OC) steigt mit Überspannung.

Schlussfolgerung

Silizium-Photomultiplier sind kompakte optische Festkörpersensoren mit hoher Verstärkung und der Fähigkeit, Licht bis auf Photonenebene zu detektieren. Die Technologie findet Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen und Industrien, hat jedoch einige Nachteile, wie z. B. Geräusche, die ihre Leistung einschränken können. Die SiPM-Technologie wird jedoch immer noch verbessert und hat ein großes Potenzial, wenn sie reift.