Кремниевый фотонный умножитель (SiPM) — это твёрдотельный высокочувствительный фотодетектор, который формирует токовый импульс при поглощении даже одного фотона. Такие сенсоры на базе P-N-переходов способны фиксировать свет от ближнего ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазона.
SiPM — компактная замена громоздким фотоумножительным трубкам (ФЭУ), подходящая для измерения интенсивности света вплоть до уровня одного фотона.
Преимущества и применение SiPM
Преимущества SiPM включают:
- высокий коэффициент усиления (гейн),
- работу при низком напряжении,
- отличную временную точность,
- устойчивость к магнитным полям,
- чувствительность к одиночным фотонам.
Благодаря этим свойствам, SiPM широко применяется в задачах фотометрии, особенно где критична точная временная привязка сигнала.
Типичные области применения:
- биофотоника,
- LiDAR и 3D-системы,
- физика высоких энергий и аэрочастиц,
- сортировка и переработка материалов,
- детекторы опасных веществ,
- флуоресцентная спектроскопия,
- сцинтилляционные детекторы,
- медицинская визуализация.
В разных отраслях — от промышленности и автомобильной электроники до телекоммуникаций — SiPM используется в самых разнообразных форматах. Например, в БПЛА применяются миниатюрные версии, а в гамма-спектроскопии на выезде — более крупные. Также существуют RGB-версии для видимого диапазона и NUV-модели — для ближнего УФ.
Устройство SiPM
Кремниевый фотонный умножитель состоит из массива микрофотодиодов (SPAD — avalanche photodiode), работающих в режиме лавинного умножения при перенапряжении. Каждый элемент массива (микроячейка) имеет:
- анод и катод,
- встроенный гасящий резистор,
- может дополнительно иметь выход с быстрой реакцией (fast output).
Микроячейки подключаются параллельно, что позволяет фиксировать сразу множество фотонов. Выходной ток прямо пропорционален количеству захваченных фотонов.
Принцип работы
Каждая микроячейка работает в лавинном режиме, при обратном напряжении выше напряжения пробоя. В обычном состоянии ячейка заряжена до VBIAS. Когда на неё попадает фотон, он генерирует пару электрон-дырка. Один из носителей заряда вызывает лавину, что приводит к скачку тока.
- Во время лавины ёмкость CJ разряжается через резистор Rs.
- После этого происходит "гашение" — ток прекращается, и ячейка начинает восстанавливаться (перезаряжается до VBIAS).
- На время восстановления ячейка временно теряет чувствительность к новым фотонам.
Основные характеристики SiPM
Коэффициент детектирования фотонов (PDE)
PDE показывает, насколько эффективно прибор фиксирует фотоны. Он зависит от перенапряжения (ΔV) и длины волны падающего света.
Напряжение пробоя (VBD)
Минимальное напряжение, при котором начинается лавинное умножение. При превышении VBD происходит генерация токового импульса. Повышение перенапряжения (ΔV = VBIAS - VBD) улучшает чувствительность, но может усилить шум.
Время восстановления
Это время, необходимое для перезарядки ячейки после лавины. Во время восстановления чувствительность снижается. Время восстановления зависит от параметров R и C микроячейки.
Температурные свойства
Температура влияет на:
- напряжение пробоя (оно растёт с температурой),
- коэффициент усиления,
- уровень собственного шума (dark count rate),
- чувствительность к фотонам.
Шумы в SiPM
Темновые события (Dark Count)
Даже в полной темноте возможны случайные импульсы — из-за тепловой генерации носителей заряда. Такие импульсы называются тёмными, и их частота измеряется в счётах в секунду (cps).
Коррелированные шумы
Шумы, возникающие после настоящих событий (фотон или dark count). Основные типы:
- Afterpulsing — задержанные носители, захваченные в процессе лавины, могут позднее вызвать новый, меньший по величине импульс.
- Оптические перекрёстные помехи (Optical Crosstalk) — лавина в одной ячейке может оптически активировать соседнюю, усиливая общий сигнал и искажая данные.
Чем выше перенапряжение, тем выше вероятность перекрёстных помех.
Заключение
SiPM — это компактный и высокочувствительный оптический датчик, способный регистрировать свет даже на уровне отдельных фотонов. Он заменяет устаревшие громоздкие фотоумножители и применяется в самых разных сферах. Несмотря на определённые ограничения, такие как шум, технологии SiPM активно развиваются и имеют большой потенциал в будущем.
Обеспечьте себе и своим близким комфорт и безопасность, посетите наш интернет-магазин измерительного оборудования pribor-x.ru! Наши специалисты всегда готовы помочь вам с выбором и ответить на все ваши вопросы.
Свяжитесь с нами по почте sales@pribor-x.ru или по телефону 8-800-777-24-67.