硅光电倍增管 (SiPM) 结构、特性和应用

了解硅光电倍增管 (SiPM) 的结构、特性和应用。

硅光电倍增管 (SiPM) 是一种固态高增益辐射探测器，可在吸收光子时产生输出电流脉冲。这些具有单光子灵敏度的基于 P-N 结的传感器可以检测从近紫外 (UV) 到近红外 (IR) 的光波长。

一般来说，紧凑的固态 SiPM 提供了一个更好的替代笨重的光电倍增管，适用于感应、量化和定时将所有级别的光降至单个光子。

SiPM 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）和磁场抗扰度。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 是能够承受机械冲击的紧凑型设备。其出色的性能使其适用于广泛的光度测量（光检测）应用，尤其是在需要精确计时的情况下。

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

硅光电倍增管市场领域包括工业、航空航天、汽车、石油和天然气、电子以及信息和通信技术。

流式细胞仪应用。图片由滨松提供

制造商通常会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和针对近紫外区域优化的NUV SiPM。

SiPM 结构

SiPM 由成百上千个自淬火单光子雪崩光电二极管 (SAPD) 阵列组成，也称为像素或微电池。

每个 SAPD 设计为在偏置电压高于击穿电压时工作，具有用于标准 SiPM 的集成串联淬火电阻器、阳极和阴极。

标准SiPM结构；并联的SPAD

一些制造商，例如 SensL，除了阳极和阴极之外，还有一个带有第三个输出端子的快速输出 SiPM。它在SPAD阳极集成了一个快速输出电容器。

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，并且可用于各种光和辐射检测应用。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

微米尺寸的 SAPD 微电池设计为在盖革模式反向偏置条件下运行，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，P-N 结充当光子操作的开关。微电池上没有光线照射，开关 S 断开，结电容 CJ 上的电压为 VBIAS。

SiPM 的等效电路。图片由滨松提供

当光子落在微电池上时，它会产生一个电子-空穴对。然后其中一个电荷载流子漂移到雪崩区域，在那里它开始自持雪崩过程和电流流动。如果未淬灭，电流将无限流动。

SiPM 在吸收光子时从微电池输出电流脉冲。图片由 First Sensor 提供

雪崩开始后，开关 S 立即闭合，CJ 通过 Rs（APD 内阻）从 VBIAS 放电至 VBD（击穿电压），时间常数为 RSCJ。

当猝灭发生时，开关 S 打开，VBIAS 以时间常数 RQCJ 为 CJ 充电。 APD 处于恢复阶段并重置回盖革模式，等待检测到新光子。

SiPM 的特性

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量与到达 SiPM 的数量之比。 PDE是APD两端的过电压ΔV和入射光子波长λ的函数。

击穿电压

SiPM 中的击穿电压 (VBD) 是导致自持雪崩倍增的最小（反向）偏置电压。当 VBIAS 高于 VBD 时，SAPD 输出一个电流脉冲。 VBIAS 和 VBD 之间的区别在于控制 SiPM 操作的过电压 ΔV。增加过电压 ΔV 可改善 PDE 和 SiPM 性能。然而，有一个上限，超过这个上限，随着过压增加的噪声和其他干扰开始干扰 SiPM 操作。

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度下的击穿电压。

恢复时间

这是从雪崩熄灭到微电池完全复位并获得检测入射光子的能力之间的时间。在恢复期间，微电池会略微失去检测新进入光子的能力。恢复阶段的时间常数为RQCJ。

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，击穿电压在升高的温度下更高，并且会影响与过电压成正比的增益和光子检测效率。由于热产生的电荷载流子，较高的温度也会增加暗事件发生的可能性。

硅光电倍增管中的噪声

在有光和无光的情况下，半导体杂质等因素往往会导致随机输出脉冲。

主要噪声 - 黑暗事件

热搅动和其他因素经常导致随机电子-空穴对和载流子的产生。如果随机载流子进入 APD 耗尽区的雪崩区，它会穿过高场区，在那里触发雪崩盖革放电和输出电流脉冲。在没有光的情况下产生脉冲被称为暗事件。暗计数率是指指定时间内暗事件的数量，以每秒计数（cps）表示。

相关噪声

相关噪声是指由先前光子或暗事件触发的二次雪崩放电的输出。相关噪声的两种主要类型是后脉冲 (AP) 和光串扰 (OC) 事件。

后脉冲

当在硅中雪崩倍增期间捕获的载流子在 SAPD 的恢复阶段放电时，会发生后脉冲。载流子最终会产生一个新的次级电流脉冲，其幅度小于原始电流脉冲。

普通 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二次雪崩时，就会出现最佳串扰 (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幅度，使其高于入射光子产生的幅度。

光串扰（OC）的概率随着过电压的增加而增加。

结论

硅光电倍增管是紧凑型固态光学传感设备，具有高增益和低至光子级的光检测能力。该技术正在广泛的领域和行业中找到应用，但有一些缺点，例如噪音，可能会限制其性能。但是，SiPM技术还在不断完善中，随着它的成熟，潜力巨大。