詳解硅光電倍增管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

硅光電倍增管（SiPM）具有單光子靈敏度，可以檢測(cè)從近紫外（UV）到近紅外（IR）的光波長(zhǎng)。

硅光電倍增管（SiPM）是固態(tài)高增益輻射檢測(cè)器，在吸收光子后會(huì)產(chǎn)生輸出電流脈沖。這些基于PN結(jié)的傳感器具有單光子靈敏度，可以檢測(cè)從近紫外（UV）到近紅外（IR）的光波長(zhǎng)。

通常，緊湊的固態(tài)SiPM可為笨重的光電倍增管提供更好的替代方案，并且適用于感測(cè)，量化和定時(shí)直至單個(gè)光子的所有光水平。

SiPM的應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)

SiPM的主要優(yōu)點(diǎn)包括高增益，低電壓操作，出色的定時(shí)性能，高靈敏度（低至單個(gè)光子）和對(duì)磁場(chǎng)的抵抗力。這些特性使其成為從單個(gè)光子到數(shù)千個(gè)光子的光檢測(cè)應(yīng)用的理想選擇。

SiPM是緊湊的設(shè)備，能夠承受機(jī)械沖擊。它們的出色性能使其適用于各種測(cè)光（光檢測(cè)）應(yīng)用，尤其是在需要精確定時(shí)的情況下。

SiPM的典型應(yīng)用包括生物光子學(xué)，LiDAR和3D測(cè)距，高能物理，航空粒子物理，分類和回收，危害和威脅檢測(cè)，熒光光譜，閃爍體，醫(yī)學(xué)成像等。

硅光電倍增管的市場(chǎng)領(lǐng)域包括工業(yè)，航空航天，汽車，石油和天然氣，電子以及信息和通信技術(shù)。

流式細(xì)胞儀的應(yīng)用。圖片由Hamamatsu提供

制造商經(jīng)常根據(jù)應(yīng)用和目標(biāo)光源定制SiPM的物理尺寸，設(shè)計(jì)和其他參數(shù)。例如，無(wú)人機(jī)應(yīng)用使用小型化的傳感器，而現(xiàn)場(chǎng)伽馬光譜操作依賴于物理上更大的組件。此外，還有針對(duì)可見(jiàn)光優(yōu)化的RGB SiPM和針對(duì)近紫外線區(qū)域的NUV SiPM。

SiPM結(jié)構(gòu)

SiPM由數(shù)百或數(shù)千個(gè)自猝滅的單光子雪崩光電二極管（SAPD）組成，也稱為像素或微單元。

每個(gè)SAPD都設(shè)計(jì)為在高于擊穿電壓時(shí)工作，具有一個(gè)集成的串聯(lián)淬火電阻，一個(gè)用于標(biāo)準(zhǔn)SiPM的陽(yáng)極和一個(gè)陰極。

標(biāo)準(zhǔn)SiPM結(jié)構(gòu)；并聯(lián)的SPAD

一些制造商，例如SensL，除了陽(yáng)極和陰極外，還具有帶有第三輸出端子的快速輸出SiPM。它在SPAD陽(yáng)極具有一個(gè)集成的快速輸出電容器。

SensL快速輸出SiPM。圖片由安森美半導(dǎo)體提供

在實(shí)際應(yīng)用中，SiPM由數(shù)百或數(shù)千個(gè)并行的微單元組成。這使其能夠同時(shí)檢測(cè)多個(gè)光子，并在各種光和輻射檢測(cè)應(yīng)用中很有用。電輸出與像素吸收的光子數(shù)量直接相關(guān)。

硅光電倍增管的基本操作

微米級(jí)的SAPD微型電池設(shè)計(jì)為在Geiger模式的反向偏置條件下工作，剛好高于擊穿電壓。

偏置SiPM。圖片由安森美半導(dǎo)體提供?

下圖顯示了APD的等效電路。通常，PN結(jié)用作光子操作的開(kāi)關(guān)。在沒(méi)有光照射到微電池上的情況下，開(kāi)關(guān)S打開(kāi)并且結(jié)電容CJ上的電壓為V BIAS。

SiPM的等效電路。圖片由Hamamatsu提供

當(dāng)光子降落在微電池上時(shí)，它會(huì)生成一個(gè)電子空穴對(duì)。然后，其中一個(gè)電荷載流子漂移到雪崩區(qū)域，在雪崩區(qū)域中它會(huì)啟動(dòng)自持雪崩過(guò)程，并且電流流動(dòng)。如果不淬火，電流將無(wú)限期流動(dòng)。

當(dāng)吸收光子時(shí)，SiPM從微單元輸出電流脈沖。圖片由 First Sensor提供

開(kāi)關(guān)S馬上閉合時(shí)雪崩和CJ放電從V的起始BIAS到V BD（擊穿電壓）過(guò)Rs與R的時(shí)間常數(shù)（APD內(nèi)部電阻）小號(hào) ? ?。

隨著淬火的發(fā)生，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，V BIAS以時(shí)間常數(shù)R Q C J為 C J充電。APD處于恢復(fù)階段，并重置回Geiger模式，等待檢測(cè)到新的光子。

SiPM的特征

光子檢測(cè)效率（PDE）

光子檢測(cè)效率或PDE量化了SiPM檢測(cè)光子的能力。這是指檢測(cè)到的光子數(shù)與到達(dá)SiPM的光子數(shù)之比。PDE是APD端子兩端的過(guò)電壓ΔV和入射光子的波長(zhǎng)λ的函數(shù)。

擊穿電壓

SiPM中的擊穿電壓（V BD）是導(dǎo)致自我維持雪崩倍增的最?。ǚ聪颍┢秒妷?。當(dāng)V BIAS高于V BD時(shí)，SAPD輸出電流脈沖。V BIAS與V BD之間的差是控制SiPM工作的過(guò)電壓ΔV。增加過(guò)壓ΔV可改善PDE和SiPM性能。但是，有一個(gè)上限，超過(guò)該上限，噪聲和其他干擾（隨過(guò)電壓而增加）就會(huì)開(kāi)始干擾SiPM操作。

擊穿電壓取決于溫度和SPAD的其他特性。因此，數(shù)據(jù)表通常會(huì)指定不同溫度下的擊穿電壓。

恢復(fù)時(shí)間

這是從雪崩淬滅到微單元完全復(fù)位并獲得檢測(cè)入射光子的能力之間所花費(fèi)的時(shí)間。在恢復(fù)期間，微單元會(huì)稍微失去檢測(cè)新入射光子的能力?；謴?fù)階段的時(shí)間常數(shù)為R Q ? ?。

溫度特性

溫度直接影響擊穿電壓，增益，結(jié)電容，暗計(jì)數(shù)和光子檢測(cè)效率。特別是，擊穿電壓在高溫下會(huì)更高，并且會(huì)影響與過(guò)電壓成正比的增益和光子檢測(cè)效率。較高的溫度還將增加由于熱產(chǎn)生的電荷載流子而導(dǎo)致發(fā)生暗事件的可能性。

硅光電倍增管中的噪聲

半導(dǎo)體雜質(zhì)和其他因素經(jīng)常在有光和無(wú)光的情況下引起隨機(jī)輸出脈沖。

主要噪聲–黑暗事件

熱攪動(dòng)和其他因素通常導(dǎo)致產(chǎn)生隨機(jī)的電子-空穴對(duì)和載流子。如果隨機(jī)載流子進(jìn)入APD耗盡區(qū)域的雪崩區(qū)域，它將穿越高電場(chǎng)區(qū)域，在此觸發(fā)雪崩蓋革放電和輸出電流脈沖。在沒(méi)有光的情況下脈沖的產(chǎn)生被稱為暗事件。暗計(jì)數(shù)率是指指定時(shí)間段內(nèi)暗事件的數(shù)量，并表示為每秒計(jì)數(shù)（cps）。

相關(guān)噪聲

相關(guān)噪聲是指由先前的光子或暗事件觸發(fā)的次級(jí)雪崩放電的輸出。相關(guān)噪聲的兩種主要類型是后脈沖（AP）和光學(xué)串?dāng)_（OC）事件。

后脈沖

當(dāng)在雪崩倍增過(guò)程中被困在硅中的載流子在SAPD的恢復(fù)階段被放電時(shí)，會(huì)發(fā)生后脈沖。載波最終會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幅度小于原始次級(jí)電流的新次級(jí)電流脈沖。

正常SiPM輸出脈沖和后脈沖噪聲輸出圖

SiPM中的光串?dāng)_

當(dāng)一個(gè)微蜂窩中的一次雪崩觸發(fā)相鄰微蜂窩中的第二次雪崩時(shí)，就會(huì)發(fā)生最佳串?dāng)_（OC）。次級(jí)放電（雪崩）對(duì)輸出電流脈沖的凈效應(yīng)是，它會(huì)增加輸出信號(hào)的幅度，從而使其高于入射光子所產(chǎn)生的幅度。

光學(xué)串?dāng)_（OC）的可能性隨著過(guò)壓而增加。

結(jié)論

硅光電倍增器是緊湊的固態(tài)光學(xué)傳感設(shè)備，具有高增益并能夠檢測(cè)低至光子水平的光。該技術(shù)正在廣泛的領(lǐng)域和行業(yè)中找到應(yīng)用，但存在一些缺點(diǎn)，例如噪聲，會(huì)限制其性能。但是，SiPM技術(shù)仍在進(jìn)步，并且隨著它的成熟而具有巨大的潛力。