矽光電倍增管(SiPM)的結構,特性和應用

矽光電倍增管（SiPM）是固態高增益輻射檢測器，在吸收光子後會產生輸出電流脈衝。這些基於PN結的傳感器具有單光子靈敏度，可以檢測從近紫外（UV）到近紅外（IR）的光波長。

通常，緊湊的固態SiPM可為笨重的光電倍增管提供更好的替代方案，並且適用於感測，量化和定時直至單個光子的所有光水平。

SiPM的應用和優勢

SiPM的主要優點包括高增益，低電壓操作，出色的定時性能，高靈敏度（低至單個光子）和對磁場的抵抗力。這些特性使其成為從單個光子到數千個光子的光檢測應用的理想選擇。

SiPM是緊湊的設備，能夠承受機械衝擊。它們的出色性能使其適用於各種測光（光檢測）應用，尤其是在需要精確定時的情況下。

SiPM的典型應用包括生物光子學，LiDAR和3D測距，高能物理，航空粒子物理，分類和回收，危害和威脅檢測，螢光光譜，閃爍體，醫學成像等。

矽光電倍增管的市場領域包括工業，航空航天，汽車，石油和天然氣，電子以及信息和通信技術。

流式細胞儀的應用。圖片由Hamamatsu提供

製造商經常根據應用和目標光源定製SiPM的物理尺寸，設計和其他參數。例如，無人機應用使用小型化的傳感器，而現場伽馬光譜操作依賴於物理上更大的組件。此外，還有針對可見光優化的RGB SiPM和針對近紫外線區域的NUV SiPM。

SiPM結構

SiPM由數百或數千個自猝滅的單光子雪崩光電二極體（SAPD）組成，也稱為像素或微單元。

每個SAPD都設計為在高於擊穿電壓時工作，具有一個集成的串聯淬火電阻，一個用於標準SiPM的陽極和一個陰極。

標準SiPM結構；並聯的SPAD

一些製造商，例如SensL，除了陽極和陰極外，還具有帶有第三輸出端子的快速輸出SiPM。它在SPAD陽極具有一個集成的快速輸出電容器。

SensL快速輸出SiPM。圖片由安森美半導體提供

在實際應用中，SiPM由數百或數千個並行的微單元組成。這使其能夠同時檢測多個光子，並在各種光和輻射檢測應用中很有用。電輸出與像素吸收的光子數量直接相關。

矽光電倍增管的基本操作

微米級的SAPD微型電池設計為在Geiger模式的反向偏置條件下工作，剛好高於擊穿電壓。

偏置SiPM。圖片由安森美半導體提供 

下圖顯示了APD的等效電路。通常，PN結用作光子操作的開關。在沒有光照射到微電池上的情況下，開關S打開並且結電容CJ上的電壓為V BIAS。

SiPM的等效電路。圖片由Hamamatsu提供

當光子降落在微電池上時，它會生成一個電子空穴對。然後，其中一個電荷載流子漂移到雪崩區域，在雪崩區域中它會啟動自持雪崩過程，並且電流流動。如果不淬火，電流將無限期流動。

當吸收光子時，SiPM從微單元輸出電流脈衝。圖片由  First Sensor提供

開關S馬上閉合時雪崩和CJ放電從V的起始BIAS到V BD（擊穿電壓）過Rs與R的時間常數（APD內部電阻）小號 Ç Ĵ。

隨著淬火的發生，開關S斷開，V BIAS以時間常數R Q C J為 C J充電。APD處於恢復階段，並重置回Geiger模式，等待檢測到新的光子。

SiPM的特徵

光子檢測效率（PDE）

光子檢測效率或PDE量化了SiPM檢測光子的能力。這是指檢測到的光子數與到達SiPM的光子數之比。PDE是APD端子兩端的過電壓ΔV和入射光子的波長λ的函數。

擊穿電壓

SiPM中的擊穿電壓（V BD）是導致自我維持雪崩倍增的最小（反向）偏置電壓。當V BIAS高於V BD時，SAPD輸出電流脈衝。V BIAS與V BD之間的差是控制SiPM工作的過電壓ΔV。增加過壓ΔV可改善PDE和SiPM性能。但是，有一個上限，超過該上限，噪聲和其他幹擾（隨過電壓而增加）就會開始幹擾SiPM操作。

擊穿電壓取決於溫度和SPAD的其他特性。因此，數據表通常會指定不同溫度下的擊穿電壓。

恢復時間

這是從雪崩淬滅到微單元完全復位並獲得檢測入射光子的能力之間所花費的時間。在恢復期間，微單元會稍微失去檢測新入射光子的能力。恢復階段的時間常數為R Q Ç Ĵ。

溫度特性

溫度直接影響擊穿電壓，增益，結電容，暗計數和光子檢測效率。特別是，擊穿電壓在高溫下會更高，並且會影響與過電壓成正比的增益和光子檢測效率。較高的溫度還將增加由於熱產生的電荷載流子而導致發生暗事件的可能性。

矽光電倍增管中的噪聲

半導體雜質和其他因素經常在有光和無光的情況下引起隨機輸出脈衝。

主要噪聲–黑暗事件

熱攪動和其他因素通常導致產生隨機的電子-空穴對和載流子。如果隨機載流子進入APD耗盡區域的雪崩區域，它將穿越高電場區域，在此觸發雪崩蓋革放電和輸出電流脈衝。在沒有光的情況下脈衝的產生被稱為暗事件。暗計數率是指指定時間段內暗事件的數量，並表示為每秒計數（cps）。

相關噪聲

相關噪聲是指由先前的光子或暗事件觸發的次級雪崩放電的輸出。相關噪聲的兩種主要類型是後脈衝（AP）和光學串擾（OC）事件。

後脈衝

當在雪崩倍增過程中被困在矽中的載流子在SAPD的恢復階段被放電時，會發生後脈衝。載波最終會產生一個幅度小於原始次級電流的新次級電流脈衝。

正常SiPM輸出脈衝和後脈衝噪聲輸出圖

SiPM中的光串擾

當一個微蜂窩中的一次雪崩觸發相鄰微蜂窩中的第二次雪崩時，就會發生最佳串擾（OC）。次級放電（雪崩）對輸出電流脈衝的淨效應是，它會增加輸出信號的幅度，從而使其高於入射光子所產生的幅度。

光學串擾（OC）的可能性隨著過壓而增加。

結論

矽光電倍增器是緊湊的固態光學傳感設備，具有高增益並能夠檢測低至光子水平的光。該技術正在廣泛的領域和行業中找到應用，但存在一些缺點，例如噪聲，會限制其性能。但是，SiPM技術仍在進步，並且隨著它的成熟而具有巨大的潛力。

—— END ——