SiPM(실리콘 광전자 증배관) 구조, 특성 및 응용 프로그램

SiPM(실리콘 광전자 증배관)의 구조, 특성 및 응용 프로그램에 대해 알아보십시오.

SiPM(실리콘 광전자 증배관)은 광자 흡수 시 출력 전류 펄스를 생성하는 고체 상태의 고이득 방사선 검출기입니다. 단일 광자 감도를 가진 이 P-N 접합 기반 센서는 근자외선(UV)에서 근적외선(IR)까지의 빛 파장을 감지할 수 있습니다.

일반적으로 소형의 고체 상태 SiPM은 부피가 큰 광전자 증배관에 대한 더 나은 대안을 제공하며 단일 광자까지 모든 수준의 빛을 감지, 정량화 및 타이밍하는 데 적합합니다.

SiPM 응용 프로그램 및 이점

SiPM의 주요 이점으로는 높은 이득, 낮은 전압 작동, 우수한 타이밍 성능, 높은 감도(단일 광자까지) 및 자기장에 대한 내성이 있습니다. 이러한 특성으로 인해 단일 광자에서 최대 수천 개의 광자까지 광 감지 응용 분야에 적합합니다.

SiPM은 기계적 충격을 견딜 수 있는 소형 장치입니다. 뛰어난 성능으로 인해 특히 정확한 타이밍이 필요한 상황에서 광범위한 광도 측정(광 감지) 애플리케이션에 적합합니다.

일반적인 SiPM 애플리케이션에는 생체 광자학, LiDAR 및 3D 측정, 고에너지 물리학, 항공 입자 물리학, 분류 및 재활용, 위험 및 위협 감지, 형광 분광학, 신틸레이터, 의료 영상 등이 포함됩니다.

실리콘 광전자 증배관 시장 부문에는 산업, 항공우주, 자동차, 석유 및 가스, 전자, 정보 통신 기술이 포함됩니다.

유세포 분석기 애플리케이션. 이미지 사용:Hamamatsu 제공

제조업체는 응용 프로그램 및 대상 조명에 따라 SiPM의 물리적 크기, 디자인 및 기타 매개변수를 사용자 지정하는 경우가 많습니다. 예를 들어, UAV 애플리케이션은 소형 센서를 사용하는 반면 현장 감마 분광학 작업은 물리적으로 더 큰 어셈블리에 의존합니다. 또한 가시광선에 최적화된 RGB SiPM과 근자외선 영역에 최적화된 NUV SiPM이 있습니다.

SiPM 구조

SiPM은 수백 또는 수천 개의 자체 소광, 단일 광자 애벌랜치 포토다이오드(픽셀 또는 마이크로셀이라고도 함) 어레이로 구성됩니다.

항복 전압 이상으로 바이어스될 때 작동하도록 설계된 각 SAPD에는 표준 SiPM용 직렬 소광 저항, 양극 및 음극이 통합되어 있습니다.

표준 SiPM 구조; 병렬로 연결된 SPAD

SensL과 같은 일부 제조업체는 양극 및 음극 외에 세 번째 출력 단자가 있는 고속 출력 SiPM을 사용합니다. 이것은 SPAD 양극에 통합된 고속 출력 커패시터를 가지고 있습니다.

SensL 고속 출력 SiPM. 이미지 사용:ON Semiconductor

실제 애플리케이션에서 SiPM은 수백 또는 수천 개의 마이크로셀로 병렬로 구성됩니다. 이를 통해 여러 광자를 동시에 감지할 수 있으며 다양한 빛 및 방사선 감지 응용 분야에 유용합니다. 전기 출력은 픽셀이 흡수하는 광자의 수와 직접적인 상관 관계가 있습니다.

실리콘 광전자 증배관의 기본 작동

마이크론 크기의 SAPD 마이크로셀은 항복 전압 바로 위의 가이거 모드 역 바이어스 조건에서 작동하도록 설계되었습니다.

SiPM 편향. 이미지 사용:ON Semiconductor

아래 그림은 APD의 등가회로를 나타낸 것이다. 일반적으로 P-N 접합은 광자 작동 스위치 역할을 합니다. 마이크로셀에 빛이 떨어지지 않으면 스위치 S가 열리고 접합 커패시턴스 CJ의 전압은 V_BIAS입니다. .

SiPM의 등가 회로. 이미지 사용:Hamamatsu 제공

광자가 마이크로셀에 떨어지면 전자-정공 쌍이 생성됩니다. 그런 다음 전하 캐리어 중 하나는 자체 유지 애벌랜치 프로세스를 시작하고 전류가 흐르는 애벌랜치 영역으로 이동합니다. 꺼지지 않으면 전류가 무한히 흐를 것입니다.

SiPM은 광자를 흡수할 때 마이크로 셀에서 전류 펄스를 출력합니다. First Sensor 제공 이미지 사용

눈사태가 시작되면 스위치 S가 즉시 닫히고 V_BIAS에서 CJ가 방전됩니다. V_BD로 (항복 전압) ~ Rs(APD 내부 저항) 시상수 R_S C_J .

담금질이 발생하면 스위치 S가 열리고 V_BIAS 재충전 C_J 시간 상수 R_Q C_J . APD는 복구 단계에 있으며 새로운 광자의 감지를 기다리는 가이거 모드로 다시 재설정됩니다.

SiPM의 특성

광자 검출 효율(PDE)

광자 검출 효율 또는 PDE는 SiPM이 광자를 검출하는 능력을 정량화합니다. 이것은 감지된 광자 수와 SiPM에 도달하는 광자 수의 비율을 나타냅니다. PDE는 APD 단자에 걸친 과전압 ΔV와 입사 광자의 파장 λ의 함수입니다.

항복 전압

항복 전압(V_BD )는 SiPM에서 자체 유지 애벌런치 곱셈을 초래하는 최소(역) 바이어스 전압입니다. V_BIAS일 때 V_BD 이상입니다. SAPD는 전류 펄스를 출력합니다. V_BIAS의 차이점 및 V_BD 는 SiPM의 작동을 제어하는 ​​과전압 ΔV입니다. 과전압 ΔV를 높이면 PDE 및 SiPM 성능이 향상됩니다. 그러나 초과하면 과전압에 따라 증가하는 노이즈 및 기타 교란이 SiPM 작동을 방해하기 시작하는 상한이 있습니다.

항복 전압은 온도 및 기타 SPAD 특성에 따라 다릅니다. 따라서 데이터 시트는 일반적으로 다양한 온도에 대한 항복 전압을 지정합니다.

복구 시간

이것은 눈사태가 꺼지고 마이크로셀이 완전히 재설정되고 들어오는 광자를 감지하는 능력을 얻을 때까지 걸리는 시간입니다. 복구 시간 동안 마이크로셀은 들어오는 새로운 광자를 감지하는 능력을 약간 잃습니다. 복구 단계의 시간 상수는 R_Q입니다. C_J .

온도 특성

온도는 항복 전압, 이득, 접합 커패시턴스, 다크 카운트 및 광자 감지 효율에 직접적인 영향을 미칩니다. 특히 항복 전압은 고온에서 더 높으며 과전압에 정비례하는 이득 및 광자 검출 효율에 영향을 미칩니다. 더 높은 온도는 또한 열적으로 생성된 전하 캐리어로 인해 암흑 현상의 가능성을 증가시킵니다.

실리콘 광전자 증배관의 노이즈

반도체 불순물 및 기타 요인으로 인해 빛의 유무에 관계없이 종종 무작위 출력 펄스가 발생합니다.

주요 소음 – 다크 이벤트

열 교반 및 기타 요인으로 인해 종종 무작위 전자-정공 쌍 및 캐리어가 생성됩니다. 랜덤 캐리어가 APD 공핍 영역의 애벌랜치 영역에 들어가면 하이 필드 영역을 통해 이동하여 애벌랜치 가이거 방전과 출력 전류 펄스를 유발합니다. 빛이 없을 때 펄스가 발생하는 것을 암흑 사건이라고 합니다. 다크 카운트 비율은 지정된 기간 동안 다크 이벤트의 수를 나타내며 초당 카운트(cps)로 표시됩니다.

상관 소음

상관 노이즈는 이전 광자 또는 암흑 이벤트에 의해 트리거된 2차 눈사태 방전의 출력을 나타냅니다. 상관 노이즈의 두 가지 주요 유형은 Afterpulsing(AP) 및 Optical Crosstalk(OC) 이벤트입니다.

애프터펄싱

애프터펄싱은 실리콘의 애벌랜치 증식 동안 갇힌 캐리어가 SAPD의 회복 단계에서 방전될 때 발생합니다. 캐리어는 결국 원래보다 작은 크기의 새로운 2차 전류 펄스를 생성합니다.

일반 SiPM 출력 펄스 및 애프터펄싱 노이즈 출력 그래프

SiPM의 광학 누화

최적의 누화(OC)는 한 마이크로셀의 1차 눈사태가 인접한 마이크로셀의 2차 눈사태를 촉발할 때 발생합니다. 출력 전류 펄스에 대한 2차 방전(avalanche)의 순 효과는 출력 신호의 진폭을 증가시켜 입사 광자에 의해 생성된 것보다 더 높게 된다는 것입니다.

광 크로스토크(OC)의 가능성은 과전압에 따라 증가합니다.

결론

실리콘 광전자 증배관은 높은 이득과 광자 수준까지 빛을 감지할 수 있는 기능을 갖춘 소형 고체 광학 감지 장치입니다. 이 기술은 다양한 분야와 산업에서 응용 프로그램을 찾고 있지만 성능을 제한할 수 있는 소음과 같은 몇 가지 단점이 있습니다. 그러나 SiPM 기술은 여전히 ​​개선되고 있으며 성숙함에 따라 큰 잠재력을 가지고 있습니다.