详解硅光电倍增管的结构特点和优势

硅光电倍增管（SiPM）具有单光子灵敏度，可以检测从近紫外（UV）到近红外（IR）的光波长。

硅光电倍增管（SiPM）是固态高增益辐射检测器，在吸收光子后会产生输出电流脉冲。这些基于PN结的传感器具有单光子灵敏度，可以检测从近紫外（UV）到近红外（IR）的光波长。

通常，紧凑的固态SiPM可为笨重的光电倍增管提供更好的替代方案，并且适用于感测，量化和定时直至单个光子的所有光水平。

SiPM的应用和优势

SiPM的主要优点包括高增益，低电压操作，出色的定时性能，高灵敏度（低至单个光子）和对磁场的抵抗力。这些特性使其成为从单个光子到数千个光子的光检测应用的理想选择。

SiPM是紧凑的设备，能够承受机械冲击。它们的出色性能使其适用于各种测光（光检测）应用，尤其是在需要精确定时的情况下。

SiPM的典型应用包括生物光子学，LiDAR和3D测距，高能物理，航空粒子物理，分类和回收，危害和威胁检测，荧光光谱，闪烁体，医学成像等。

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，电子以及信息和通信技术。

流式细胞仪的应用。图片由Hamamatsu提供

制造商经常根据应用和目标光源定制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，而现场伽马光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（SAPD）组成，也称为像素或微单元。

每个SAPD都设计为在高于击穿电压时工作，具有一个集成的串联淬火电阻，一个用于标准SiPM的阳极和一个阴极。

标准SiPM结构；并联的SPAD

一些制造商，例如SensL，除了阳极和阴极外，还具有带有第三输出端子的快速输出SiPM。它在SPAD阳极具有一个集成的快速输出电容器。

SensL快速输出SiPM。图片由安森美半导体提供

在实际应用中，SiPM由数百或数千个并行的微单元组成。这使其能够同时检测多个光子，并在各种光和辐射检测应用中很有用。电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

微米级的SAPD微型电池设计为在Geiger模式的反向偏置条件下工作，刚好高于击穿电压。

偏置SiPM。图片由安森美半导体提供 

下图显示了APD的等效电路。通常，PN结用作光子操作的开关。在没有光照射到微电池上的情况下，开关S打开并且结电容CJ上的电压为V BIAS。

SiPM的等效电路。图片由Hamamatsu提供

当光子降落在微电池上时，它会生成一个电子空穴对。然后，其中一个电荷载流子漂移到雪崩区域，在雪崩区域中它会启动自持雪崩过程，并且电流流动。如果不淬火，电流将无限期流动。

当吸收光子时，SiPM从微单元输出电流脉冲。图片由 First Sensor提供

开关S马上闭合时雪崩和CJ放电从V的起始BIAS到V BD（击穿电压）过Rs与R的时间常数（APD内部电阻）小号 Ç Ĵ。

随着淬火的发生，开关S断开，V BIAS以时间常数R Q C J为 C J充电。APD处于恢复阶段，并重置回Geiger模式，等待检测到新的光子。

SiPM的特征

光子检测效率（PDE）

光子检测效率或PDE量化了SiPM检测光子的能力。这是指检测到的光子数与到达SiPM的光子数之比。PDE是APD端子两端的过电压ΔV和入射光子的波长λ的函数。

击穿电压

SiPM中的击穿电压（V BD）是导致自我维持雪崩倍增的最小（反向）偏置电压。当V BIAS高于V BD时，SAPD输出电流脉冲。V BIAS与V BD之间的差是控制SiPM工作的过电压ΔV。增加过压ΔV可改善PDE和SiPM性能。但是，有一个上限，超过该上限，噪声和其他干扰（随过电压而增加）就会开始干扰SiPM操作。

击穿电压取决于温度和SPAD的其他特性。因此，数据表通常会指定不同温度下的击穿电压。

恢复时间

这是从雪崩淬灭到微单元完全复位并获得检测入射光子的能力之间所花费的时间。在恢复期间，微单元会稍微失去检测新入射光子的能力。恢复阶段的时间常数为R Q Ç Ĵ。

温度特性

温度直接影响击穿电压，增益，结电容，暗计数和光子检测效率。特别是，击穿电压在高温下会更高，并且会影响与过电压成正比的增益和光子检测效率。较高的温度还将增加由于热产生的电荷载流子而导致发生暗事件的可能性。

硅光电倍增管中的噪声

半导体杂质和其他因素经常在有光和无光的情况下引起随机输出脉冲。

主要噪声–黑暗事件

热搅动和其他因素通常导致产生随机的电子-空穴对和载流子。如果随机载流子进入APD耗尽区域的雪崩区域，它将穿越高电场区域，在此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的数量，并表示为每秒计数（cps）。

相关噪声

相关噪声是指由先前的光子或暗事件触发的次级雪崩放电的输出。相关噪声的两种主要类型是后脉冲（AP）和光学串扰（OC）事件。

后脉冲

当在雪崩倍增过程中被困在硅中的载流子在SAPD的恢复阶段被放电时，会发生后脉冲。载波最终会产生一个幅度小于原始次级电流的新次级电流脉冲。

正常SiPM输出脉冲和后脉冲噪声输出图

SiPM中的光串扰

当一个微蜂窝中的一次雪崩触发相邻微蜂窝中的第二次雪崩时，就会发生最佳串扰（OC）。次级放电（雪崩）对输出电流脉冲的净效应是，它会增加输出信号的幅度，从而使其高于入射光子所产生的幅度。

光学串扰（OC）的可能性随着过压而增加。

结论

硅光电倍增器是紧凑的固态光学传感设备，具有高增益并能够检测低至光子水平的光。该技术正在广泛的领域和行业中找到应用，但存在一些缺点，例如噪声，会限制其性能。但是，SiPM技术仍在进步，并且随着它的成熟而具有巨大的潜力。