Estrutura, características e aplicações do fotomultiplicador de silício (SiPM)

Saiba mais sobre a estrutura, as características e as aplicações de um fotomultiplicador de silício (SiPM).

Um fotomultiplicador de silício (SiPM) é um detector de radiação de estado sólido de alto ganho que produz um pulso de corrente de saída após a absorção de um fóton. Esses sensores baseados em junção P-N com sensibilidade de fóton único podem detectar comprimentos de onda de luz de ultravioleta próximo (UV) a infravermelho próximo (IR).

Geralmente, o SiPM compacto de estado sólido oferece uma alternativa melhor aos tubos fotomultiplicadores volumosos e é adequado para detectar, quantificar e cronometrar todos os níveis de luz até um único fóton.

Aplicativos e benefícios do SiPM

Os principais benefícios do SiPM incluem alto ganho, operação em baixa tensão, excelente desempenho de temporização, alta sensibilidade (até um único fóton) e imunidade a campos magnéticos. Essas características o tornam uma boa escolha para aplicações de detecção de luz de um único fótons até vários milhares.

Os SiPMs são dispositivos compactos com capacidade de resistir a choques mecânicos. Seu excelente desempenho os torna adequados para uma ampla gama de aplicações de fotometria (detecção de luz), especialmente em situações onde a temporização precisa é necessária.

As aplicações típicas de SiPM incluem biofotônica, LiDAR e alcance 3D, física de alta energia, física de partículas aerodinâmicas, classificação e reciclagem, detecção de perigo e ameaça, espectroscopia de fluorescência, cintiladores, imagens médicas e muito mais.

Os setores de mercado de fotomultiplicadores de silício incluem industrial, aeroespacial, automotivo, petróleo e gás, eletrônicos e tecnologia da informação e comunicação.

Aplicativo de citômetro de fluxo. Imagem usada cortesia de Hamamatsu

Os fabricantes costumam personalizar o tamanho físico, o design e outros parâmetros de um SiPM de acordo com a aplicação e a luz alvo. Por exemplo, os aplicativos UAV usam sensores miniaturizados, enquanto as operações de espectroscopia gama de campo dependem de conjuntos fisicamente maiores. Além disso, existem SiPMs RGB otimizados para luz visível e SiPMs NUV para a região quase ultravioleta.

Estrutura SiPM

Um SiPM consiste em uma matriz de centenas ou milhares de fotodiodos de avalanche de fóton único e autoextinguidos (SAPDs), também chamados de pixels ou microcélulas.

Cada SAPD, projetado para funcionar quando polarizado acima da tensão de ruptura, tem um resistor de extinção em série integrado, um ânodo e um cátodo para os SiPMs padrão.

Estrutura padrão do SiPM; SPADs conectados em paralelo

Alguns fabricantes, como o SensL, têm um SiPM de saída rápida com um terceiro terminal de saída além do ânodo e do cátodo. Este possui um capacitor de saída rápida integrado no ânodo SPAD.

SiPM de saída rápida SensL. Imagem usada cortesia de ON Semiconductor

Em aplicações práticas, o SiPM consiste em centenas ou milhares de microcélulas em paralelo. Isso dá a ele a capacidade de detectar vários fótons simultaneamente e é útil em várias aplicações de detecção de luz e radiação. A saída elétrica está diretamente relacionada ao número de fótons que os pixels absorvem.

Operação básica de um fotomultiplicador de silício

As microcélulas SAPD de tamanho mícron são projetadas para operar na condição de polarização reversa do modo Geiger, logo acima da tensão de ruptura.

Polarização do SiPM. Imagem usada cortesia de ON Semiconductor

A figura abaixo mostra um circuito equivalente do APD. Geralmente, a junção P-N atua como um interruptor operado por fóton. Sem luz incidindo sobre a microcélula, o interruptor S está aberto e a tensão na capacitância da junção CJ é V _BIAS .

Circuito equivalente de um SiPM. Imagem usada cortesia de Hamamatsu

Quando um fóton pousa na microcélula, ele gera um par elétron-buraco. Um dos portadores de carga então se desloca para a região da avalanche, onde inicia um processo de avalanche autossustentável e fluxos de corrente. Se não for apagada, a corrente fluirá indefinidamente.

Pulso de corrente de saída de SiPM de uma microcélula ao absorver um fóton. Imagem usada cortesia de First Sensor

O switch S fecha instantaneamente após o início da avalanche e as descargas de CJ de V _BIAS para V _BD (tensão de ruptura) através de Rs (resistência interna APD) com uma constante de tempo de R _S C _J .

Conforme a têmpera ocorre, o switch S abre e V _BIAS recarrega C _J com a constante de tempo R _Q C _J . O APD está em fase de recuperação e retorna ao modo Geiger, aguardando a detecção de um novo fóton.

Características dos SiPMs

Eficiência de detecção de fótons (PDE)

A eficiência de detecção de fótons ou PDE quantifica a capacidade do SiPM de detectar fótons. Isso se refere à razão entre o número de fótons detectados e aqueles que atingem o SiPM. O PDE é uma função da sobretensão ΔV através dos terminais do APD e do comprimento de onda λ do fóton incidente.

Tensão de ruptura

A tensão de ruptura (V _BD ) em um SiPM é a tensão de polarização mínima (reversa) que resulta na multiplicação de avalanche autossustentável. Quando V _BIAS está acima de V _BD o SAPD emite um pulso de corrente. A diferença entre V _BIAS e V _BD é a sobretensão ΔV que controla o funcionamento do SiPM. Aumentar a sobretensão ΔV melhora o desempenho do PDE e do SiPM. Porém, existe um limite superior além do qual o ruído e outras perturbações, que aumentam com a sobretensão, começam a interferir na operação do SiPM.

A tensão de ruptura depende da temperatura e de outras características do SPAD. Como tal, as folhas de dados geralmente especificam as tensões de ruptura para diferentes temperaturas.

Tempo de recuperação

Este é o tempo que leva entre a extinção da avalanche e quando a microcélula é totalmente redefinida e ganha a capacidade de detectar um fóton que se aproxima. Durante o tempo de recuperação, a microcélula perde ligeiramente sua capacidade de detectar novos fótons que chegam. A constante de tempo da fase de recuperação é R _Q C _J .

Características de temperatura

A temperatura influencia diretamente a tensão de ruptura, o ganho, a capacitância da junção, as contagens escuras e a eficiência de detecção de fótons. Em particular, a tensão de ruptura é mais alta em temperaturas elevadas e afetará o ganho e a eficiência de detecção de fótons, que são diretamente proporcionais à sobretensão. Temperaturas mais altas também aumentam a probabilidade de eventos escuros devido aos portadores de carga gerados termicamente.

Ruído em fotomultiplicador de silício

Impurezas semicondutoras e outros fatores geralmente causam pulsos de saída aleatórios tanto na presença quanto na ausência de luz.

Ruído primário - Evento escuro

A agitação térmica e outros fatores freqüentemente levam à geração de pares de elétron-buraco e portadores aleatórios. Se o transportador aleatório entrar na região de avalanche da região de depleção do APD, ele viaja através da região de alto campo onde dispara uma descarga Geiger de avalanche e um pulso de corrente de saída. A geração do pulso na ausência de luz é conhecida como um evento escuro. A taxa de contagem de escuridão refere-se ao número de eventos de escuridão em um período especificado e é expressa como contagens por segundo (cps).

Ruído correlacionado

O ruído correlacionado refere-se à saída das descargas de avalanche secundárias disparadas por um fóton anterior ou evento escuro. Os dois tipos principais de ruído correlacionado são os eventos Afterpulsing (AP) e Optical Crosstalk (OC).

Pós-pulsação

A pós-pulsação ocorre quando os portadores presos durante a multiplicação da avalanche no silício são descarregados durante a fase de recuperação do SAPD. As portadoras acabam gerando um novo pulso de corrente secundária de magnitude menor que o original.

Pulso de saída normal de SiPM e gráfico de saída de ruído pós-pulsação

Diafonia óptica em um SiPM

A diafonia ideal (OC) ocorre quando uma avalanche primária em uma microcélula desencadeia uma avalanche secundária em microcélulas adjacentes. O efeito líquido da descarga secundária (avalanche) no pulso da corrente de saída é que ela aumenta a amplitude do sinal de saída, de modo que é maior do que a produzida pelo fóton incidente.

A probabilidade de diafonia óptica (OC) aumenta com a sobretensão.

Conclusão

Os fotomultiplicadores de silício são dispositivos sensores ópticos compactos de estado sólido com alto ganho e capacidade de detectar luz até o nível do fóton. A tecnologia está encontrando aplicações em uma ampla variedade de campos e indústrias, mas tem algumas desvantagens, como ruído, que podem limitar seu desempenho. No entanto, a tecnologia SiPM ainda está melhorando e tem um grande potencial à medida que amadurece.