硅光电倍增管(SiPM)的结构、特性及应用

硅光电倍增管(SiPM)是一种固态、高增益辐射探测器，在吸收光子时产生输出电流脉冲。这些基于P-N结的传感器具有单光子灵敏度，可以探测近紫外到近红外波长的光。

一般来说，这种紧凑的固态SiPM为笨重的光电倍增管提供了更好的替代方案，适用于感知、量化和计时所有级别的光，直到单个光子。

SiPM的应用和好处

SiPM的主要优点包括高增益、低电压操作、优异的定时性能、高灵敏度(低到单个光子)和抗磁场。这些特性使它成为从单光子到几千光子的光探测应用的好选择。

sipm是能够承受机械冲击的紧凑设备。其优异的性能使其适用于广泛的光度测定(光检测)应用，特别是在需要精确定时的情况下。

典型的SiPM应用包括生物光子学、激光雷达和3D测距、高能物理、航空粒子物理、分类和回收、危险和威胁检测、荧光光谱、闪烁体、医学成像等等。

硅光电倍增管的市场领域包括工业、航空航天、汽车、石油和天然气、电子、信息和通信技术。雷竞技最新app

流式细胞分析仪的应用程序。图片由滨松

制造商经常根据应用和目标光定制SiPM的物理尺寸、设计和其他参数。例如，无人机应用使用小型化的传感器，而野外伽马能谱操作依赖于物理上更大的组件。此外，还有针对可见光优化的RGB sipm和针对近紫外线区域的NUV sipm。

SiPM结构

SiPM由数百或数千个自猝灭的单光子雪崩光电二极管(SAPDs)组成，也称为像素或微单元。

每个SAPD，设计在偏置击穿电压以上时工作，有一个集成的系列淬火电阻，一个阳极和一个阴极用于标准的SiPMs。

标准SiPM结构;spad并联

一些制造商，如SensL，有一个快速输出SiPM，除了阳极和阴极外还有第三个输出端子。这有一个集成的快速输出电容在SPAD阳极。

传感器快速输出SiPM。图片由在半导体

在实际应用中，SiPM由数百或数千个并行微单元组成。这使得它能够同时探测多个光子，在各种光和辐射探测应用中非常有用。电子输出与像素吸收的光子数量直接相关。

硅光电倍增管的基本操作

微米大小的SAPD微电池被设计成在盖革模式反向偏置条件下工作，刚好高于击穿电压。

偏压SiPM。图片由在半导体

下图是APD的等效电路。一般来说，pn结起光子开关的作用。在没有光照到微电池时，开关S断开，结电容CJ上的电压为V_偏见．

SiPM的等效电路。图片由滨松

当一个光子落在微电池上时，就会产生一个电子-空穴对。其中一个载流子随后漂移到雪崩区域，在那里它开始了一个自我维持的雪崩过程和电流流动。如果不淬灭，电流将无限流动。

SiPM吸收光子后从微电池输出电流脉冲。图片由第一个传感器

雪崩开始时开关S立即闭合，CJ从V放电_偏见到V_双相障碍(击穿电压)通过Rs (APD内阻)，时间常数为R_年代C_J．

当淬火发生时，开关S打开，V打开_偏见充电C_J时间常数R_问C_J．APD正在恢复阶段，并恢复到盖革模式，等待新光子的探测。

SiPMs的特点

光子检测效率(PDE)

光子探测效率或PDE量化了SiPM探测光子的能力。这是指探测到的光子数量与达到SiPM的光子数量之比。PDE是APD两端过电压ΔV和入射光子波长λ的函数。

击穿电压

击穿电压(V_双相障碍)是导致自维持雪崩倍增的最小(反向)偏置电压。当V_偏见高于V_双相障碍SAPD输出电流脉冲。V的区别_偏见和V_双相障碍是控制SiPM运行的过电压ΔV。提高过电压ΔV可以提高PDE和SiPM的性能。然而，有一个上限，超过这个上限，噪声和其他干扰，随着过电压的增加，开始干扰SiPM的运行。

击穿电压取决于温度和其他SPAD特性。因此，数据表通常指定不同温raybet开户度下的击穿电压。

恢复时间

这是从雪崩猝灭到微电池完全重置并获得探测入射光子的能力所需要的时间。在恢复期间，微电池稍微失去了检测新入射光子的能力。恢复相的时间常数为R_问C_J．

温度特性

温度直接影响击穿电压、增益、结电容、暗计数和光子探测效率。特别是在较高的温度下击穿电压较高，会影响增益和光子探测效率，增益和光子探测效率与过电压成正比。更高的温度也会增加热产生的载流子产生暗事件的概率。

硅光电倍增管中的噪声

半导体杂质和其他因素在光的存在和不存在的情况下经常引起随机输出脉冲。

初级噪音-黑暗事件

热搅动等因素常导致随机电子-空穴对和载流子的产生。如果随机载流子进入APD耗尽区域的雪崩区域，它将穿过高场区域，在那里触发雪崩盖革放电和输出电流脉冲。在没有光的情况下脉冲的产生被称为暗事件。暗计数率是指指定时间段内暗事件发生的次数，表示为每秒计数。

相关噪声

相关噪声是指由先前的光子或暗事件触发的二次雪崩放电的输出。两种主要的相关噪声是后脉冲(AP)和光串扰(OC)事件。

寄生脉冲

在SAPD的恢复阶段，当硅中的雪崩倍增过程中被困住的载流子被释放时，就会发生后脉冲。载波最终会产生一个新的次级电流脉冲，其幅度比原来的小。

正常SiPM输出脉冲和脉冲后噪声输出曲线图

SiPM中的光串扰

当一个微细胞中的一次雪崩触发相邻微细胞中的二次雪崩时，就会发生最佳串扰(OC)。二次放电(雪崩)对输出电流脉冲的净效应是，它增加了输出信号的振幅，使其高于入射光子产生的振幅。

光串扰(OC)的概率随过电压的增加而增加。

结论

硅光电倍增管是一种紧凑的固态光学传感装置，具有高增益和探测到光子水平的能力。这项技术在很多领域和行业都有应用，但也有一些缺点，比如噪音，这限制了它的性能。然而，SiPM技术仍在改进中，随着它的成熟有很大的潜力。