Estructura, características y aplicaciones del fotomultiplicador de silicio (SiPM)

Obtenga información sobre la estructura, las características y las aplicaciones de un fotomultiplicador de silicio (SiPM).

Un fotomultiplicador de silicio (SiPM) es un detector de radiación de estado sólido de alta ganancia que produce un pulso de corriente de salida al absorber un fotón. Estos sensores basados ​​en uniones P-N con sensibilidad de fotón único pueden detectar longitudes de onda de luz desde el ultravioleta cercano (UV) al infrarrojo cercano (IR).

En general, el SiPM compacto de estado sólido proporciona una mejor alternativa a los voluminosos tubos fotomultiplicadores y es adecuado para detectar, cuantificar y sincronizar todos los niveles de luz hasta un solo fotón.

Aplicaciones y beneficios de SiPM

Los principales beneficios del SiPM incluyen alta ganancia, operación de bajo voltaje, excelente rendimiento de sincronización, alta sensibilidad (hasta un solo fotón) e inmunidad a los campos magnéticos. Estas características lo convierten en una buena opción para aplicaciones de detección de luz desde un solo fotón y hasta varios miles de fotones.

Los SiPM son dispositivos compactos con la capacidad de resistir golpes mecánicos. Su excelente rendimiento los hace adecuados para una amplia gama de aplicaciones de fotometría (detección de luz), especialmente en situaciones en las que se necesita una sincronización precisa.

Las aplicaciones típicas de SiPM incluyen biofotónica, rango LiDAR y 3D, física de alta energía, física de partículas aerodinámicas, clasificación y reciclaje, detección de peligros y amenazas, espectroscopia de fluorescencia, centelleadores, imágenes médicas y más.

Los sectores del mercado de fotomultiplicadores de silicio incluyen la industria, aeroespacial, automotriz, petróleo y gas, electrónica y tecnología de la información y las comunicaciones.

Aplicación de citómetro de flujo. Imagen utilizada por cortesía de Hamamatsu

Los fabricantes a menudo personalizan el tamaño físico, el diseño y otros parámetros de un SiPM de acuerdo con la aplicación y la luz objetivo. Por ejemplo, las aplicaciones de UAV utilizan sensores miniaturizados, mientras que las operaciones de espectroscopia gamma de campo se basan en conjuntos físicamente más grandes. Además, hay SiPM RGB optimizados para luz visible y SiPM NUV para la región casi ultravioleta.

Estructura de SiPM

Un SiPM consiste en una matriz de cientos o miles de fotodiodos de avalancha de fotón único auto-apagados (SAPD), también conocidos como píxeles o microcélulas.

Cada SAPD, diseñado para funcionar cuando se polariza por encima del voltaje de ruptura, tiene una resistencia de extinción en serie integrada, un ánodo y un cátodo para los SiPM estándar.

Estructura estándar de SiPM; SPAD conectados en paralelo

Algunos fabricantes, como SensL, tienen un SiPM de salida rápida con un tercer terminal de salida además del ánodo y el cátodo. Tiene un condensador de salida rápida integrado en el ánodo SPAD.

SiPM de salida rápida SensL. Imagen utilizada por cortesía de ON Semiconductor

En aplicaciones prácticas, el SiPM consta de cientos o miles de microcélulas en paralelo. Esto le da la capacidad de detectar múltiples fotones simultáneamente y es útil en varias aplicaciones de detección de luz y radiación. La salida eléctrica se correlaciona directamente con la cantidad de fotones que absorben los píxeles.

Funcionamiento básico de un fotomultiplicador de silicio

Las microcélulas SAPD de tamaño micrométrico están diseñadas para operar en la condición de polarización inversa del modo Geiger, justo por encima del voltaje de ruptura.

Sesgo del SiPM. Imagen utilizada por cortesía de ON Semiconductor

La siguiente figura muestra un circuito equivalente del APD. Generalmente, la unión P-N actúa como un interruptor operado por fotones. Sin luz incidiendo sobre la microcelda, el interruptor S está abierto y el voltaje en la capacitancia de unión CJ es V _BIAS .

Circuito equivalente de un SiPM. Imagen utilizada por cortesía de Hamamatsu

Cuando un fotón aterriza en la microcélula, genera un par electrón-hueco. Luego, uno de los portadores de carga se desplaza hacia la región de la avalancha, donde inicia un proceso de avalancha autosostenible y fluye la corriente. Si no se apaga, la corriente fluirá indefinidamente.

Pulso de corriente de salida de SiPM de una microcélula al absorber un fotón. Imagen utilizada por cortesía de First Sensor

El interruptor S se cierra instantáneamente al iniciarse la avalancha y CJ se descarga de V _BIAS a V _BD (voltaje de ruptura) a través de Rs (resistencia interna APD) con una constante de tiempo de R _S C _J .

A medida que ocurre la extinción, el interruptor S se abre y V _BIAS recarga C _J con la constante de tiempo R _Q C _J . El APD está en su fase de recuperación y se restablece al modo Geiger esperando la detección de un nuevo fotón.

Características de los SiPM

Eficiencia de detección de fotones (PDE)

La eficiencia de detección de fotones o PDE cuantifica la capacidad del SiPM para detectar fotones. Esto se refiere a la relación entre el número de fotones detectados y los que alcanzan el SiPM. La PDE es una función de la sobretensión ΔV a través de los terminales del APD y la longitud de onda λ del fotón incidente.

Voltaje de ruptura

El voltaje de ruptura (V _BD ) en un SiPM es el voltaje de polarización mínimo (inverso) que da como resultado una multiplicación de avalancha autosostenida. Cuando V _BIAS está por encima de V _BD el SAPD emite un pulso de corriente. La diferencia entre V _BIAS y V _BD es la sobretensión ΔV que controla el funcionamiento del SiPM. El aumento de la sobretensión ΔV mejora el rendimiento de PDE y SiPM. Sin embargo, existe un límite superior más allá del cual el ruido y otras perturbaciones, que aumentan con la sobretensión, comienzan a interferir con el funcionamiento del SiPM.

El voltaje de ruptura depende de la temperatura y otras características del SPAD. Como tal, las hojas de datos generalmente especifican los voltajes de ruptura para diferentes temperaturas.

Tiempo de recuperación

Este es el tiempo que transcurre entre la extinción de la avalancha y el momento en que la microcélula se restablece por completo y adquiere la capacidad de detectar un fotón entrante. Durante el tiempo de recuperación, la microcélula pierde ligeramente su capacidad para detectar nuevos fotones entrantes. La constante de tiempo de la fase de recuperación es R _Q C _J .

Características de temperatura

La temperatura influye directamente en el voltaje de ruptura, la ganancia, la capacitancia de la unión, los recuentos de oscuridad y la eficiencia de detección de fotones. En particular, la tensión de ruptura es mayor a temperaturas elevadas y afectará la ganancia y la eficiencia de detección de fotones que son directamente proporcionales a la sobretensión. Las temperaturas más altas también aumentarán la probabilidad de eventos oscuros debido a los portadores de carga generados térmicamente.

Fotomultiplicador de ruido en silicio

Las impurezas de los semiconductores y otros factores a menudo causan pulsos de salida aleatorios tanto en presencia como en ausencia de luz.

Ruido principal:evento oscuro

La agitación térmica y otros factores a menudo conducen a la generación de pares y portadores aleatorios de electrones y huecos. Si el portador aleatorio entra en la región de avalancha de la región de agotamiento del APD, viaja a través de la región de campo alto donde desencadena una descarga Geiger de avalancha y un pulso de corriente de salida. La generación del pulso en ausencia de luz se conoce como evento oscuro. La tasa de recuento oscuro se refiere al número de eventos oscuros en un período específico y se expresa como recuentos por segundo (cps).

Ruido correlacionado

El ruido correlacionado se refiere a la salida de las descargas de avalanchas secundarias desencadenadas por un fotón anterior o un evento oscuro. Los dos tipos principales de ruido correlacionado son los eventos Afterpulsing (AP) y Optical Crosstalk (OC).

Después de pulsar

El pulso posterior se produce cuando los portadores atrapados durante la multiplicación de avalanchas en el silicio se descargan durante la fase de recuperación del SAPD. Los portadores terminan generando un nuevo pulso de corriente secundaria de menor magnitud que el original.

Pulso de salida normal de SiPM y gráfico de salida de ruido postpulso

Diafonía óptica en un SiPM

La diafonía óptima (OC) ocurre cuando una avalancha primaria en una microcélula desencadena una avalancha secundaria en microcélulas adyacentes. El efecto neto de la descarga secundaria (avalancha) sobre el pulso de corriente de salida es que aumenta la amplitud de la señal de salida, de manera que es mayor que la producida por el fotón incidente.

La probabilidad de diafonía óptica (OC) aumenta con la sobretensión.

Conclusión

Los fotomultiplicadores de silicio son dispositivos de detección óptica compactos de estado sólido con alta ganancia y capacidad para detectar luz hasta el nivel de fotones. La tecnología está encontrando aplicaciones en una amplia gama de campos e industrias, pero tiene algunos inconvenientes, como el ruido, que pueden limitar su rendimiento. Sin embargo, la tecnología SiPM todavía está mejorando y tiene un gran potencial a medida que madura.