Structure, caractéristiques et applications du photomultiplicateur de silicium (SiPM)

Découvrez la structure, les caractéristiques et les applications d'un photomultiplicateur au silicium (SiPM).

Un photomultiplicateur au silicium (SiPM) est un détecteur de rayonnement à semi-conducteur à gain élevé qui produit une impulsion de courant de sortie lors de l'absorption d'un photon. Ces capteurs à jonction P-N avec sensibilité à un seul photon peuvent détecter des longueurs d'onde lumineuses allant du proche ultraviolet (UV) au proche infrarouge (IR).

En règle générale, le SiPM compact à semi-conducteurs offre une meilleure alternative aux tubes photomultiplicateurs encombrants et convient à la détection, à la quantification et à la synchronisation de tous les niveaux de lumière jusqu'à un seul photon.

Applications et avantages de SiPM

Les principaux avantages du SiPM incluent un gain élevé, un fonctionnement à basse tension, d'excellentes performances de synchronisation, une sensibilité élevée (jusqu'à un seul photon) et une immunité aux champs magnétiques. Ces caractéristiques en font un bon choix pour les applications de détection de lumière allant d'un seul à plusieurs milliers de photons.

Les SiPM sont des appareils compacts capables de résister aux chocs mécaniques. Leurs excellentes performances les rendent adaptés à une large gamme d'applications de photométrie (détection de lumière), en particulier dans les situations où une synchronisation précise est nécessaire.

Les applications SiPM typiques incluent la biophotonique, la télémétrie LiDAR et 3D, la physique des hautes énergies, la physique des particules aérodynamiques, le tri et le recyclage, la détection des dangers et des menaces, la spectroscopie de fluorescence, les scintillateurs, l'imagerie médicale, etc.

Les secteurs du marché des photomultiplicateurs au silicium comprennent l'industrie, l'aérospatiale, l'automobile, le pétrole et le gaz, l'électronique et les technologies de l'information et des communications.

Application du cytomètre en flux. Image utilisée avec l'aimable autorisation de Hamamatsu

Les fabricants personnalisent souvent la taille physique, la conception et d'autres paramètres d'un SiPM en fonction de l'application et de la lumière cible. Par exemple, les applications de drones utilisent des capteurs miniaturisés tandis que les opérations de spectroscopie gamma sur le terrain reposent sur des assemblages physiquement plus grands. Il existe également des SiPM RVB optimisés pour la lumière visible et des SiPM NUV pour la région proche de l'ultraviolet.

Structure SiPM

Un SiPM se compose d'un réseau de centaines ou de milliers de photodiodes à avalanche monophotonique (SAPD) à autoextinction, également appelées pixels ou microcellules.

Chaque SAPD, conçu pour fonctionner lorsqu'il est polarisé au-dessus de la tension de claquage, possède une résistance d'extinction en série intégrée, une anode et une cathode pour les SiPM standard.

Structure SiPM standard ; SPAD connectés en parallèle

Certains fabricants, comme SensL, ont un SiPM à sortie rapide avec une troisième borne de sortie en plus de l'anode et de la cathode. Celui-ci a un condensateur de sortie rapide intégré à l'anode du SPAD.

SensL sortie rapide SiPM. Image utilisée avec l'aimable autorisation de ON Semiconductor

Dans les applications pratiques, le SiPM se compose de centaines ou de milliers de microcellules en parallèle. Cela lui donne la capacité de détecter plusieurs photons simultanément et est utile dans diverses applications de détection de lumière et de rayonnement. La sortie électrique est directement corrélée au nombre de photons absorbés par les pixels.

Fonctionnement de base d'un photomultiplicateur au silicium

Les microcellules SAPD de la taille d'un micron sont conçues pour fonctionner dans la condition de polarisation inverse en mode Geiger, juste au-dessus de la tension de claquage.

Biaser le SiPM. Image utilisée avec l'aimable autorisation de ON Semiconductor

La figure ci-dessous montre un circuit équivalent de l'APD. Généralement, la jonction P-N agit comme un commutateur photonique. Sans lumière tombant sur la microcellule, l'interrupteur S est ouvert et la tension sur la capacité de jonction CJ est V_BIAS .

Circuit équivalent d'un SiPM. Image utilisée avec l'aimable autorisation de Hamamatsu

Lorsqu'un photon atterrit sur la microcellule, il génère une paire électron-trou. L'un des porteurs de charge dérive alors vers la région d'avalanche où il initie un processus d'avalanche auto-entretenu et des flux de courant. S'il n'est pas éteint, le courant circulera indéfiniment.

Impulsion de courant de sortie SiPM d'une micro-cellule lors de l'absorption d'un photon. Image utilisée avec l'aimable autorisation de First Sensor

L'interrupteur S se ferme instantanément au déclenchement de l'avalanche et CJ se décharge de V_BIAS à V_BD (tension de claquage) via Rs (résistance interne APD) avec une constante de temps de R_S C_J .

Au fur et à mesure de la trempe, l'interrupteur S s'ouvre et V_BIAS recharge C_J avec la constante de temps R_Q C_J . L'APD est dans sa phase de récupération et revient en mode Geiger en attendant la détection d'un nouveau photon.

Caractéristiques des SiPM

Efficacité de détection de photons (PDE)

L'efficacité de détection de photons ou PDE quantifie la capacité du SiPM à détecter des photons. Il s'agit du rapport entre le nombre de photons détectés et ceux qui atteignent le SiPM. La PDE est fonction de la surtension ΔV aux bornes de l'APD et de la longueur d'onde λ du photon incident.

Tension de panne

La tension de claquage (V_BD ) dans un SiPM est la tension de polarisation minimale (inverse) qui entraîne une multiplication d'avalanche auto-entretenue. Lorsque V_BIAS est au-dessus de V_BD le SAPD délivre une impulsion de courant. La différence entre V_BIAS et V_BD est la surtension ΔV qui commande le fonctionnement du SiPM. L'augmentation de la surtension ΔV améliore les performances du PDE et du SiPM. Cependant, il existe une limite supérieure au-delà de laquelle le bruit et d'autres perturbations, qui augmentent avec la surtension, commencent à perturber le fonctionnement du SiPM.

La tension de claquage dépend de la température et d'autres caractéristiques du SPAD. En tant que telles, les fiches techniques spécifient généralement les tensions de claquage pour différentes températures.

Temps de récupération

C'est le temps qu'il faut entre l'extinction de l'avalanche et le moment où la microcellule se réinitialise complètement et acquiert la capacité de détecter un photon entrant. Pendant le temps de récupération, la microcellule perd légèrement sa capacité à détecter de nouveaux photons entrants. La constante de temps de la phase de récupération est R_Q C_J .

Caractéristiques de température

La température influence directement la tension de claquage, le gain, la capacité de jonction, le nombre d'obscurité et l'efficacité de détection des photons. En particulier, la tension de claquage est plus élevée à des températures élevées et affectera le gain et l'efficacité de détection des photons qui sont directement proportionnels à la surtension. Des températures plus élevées augmenteront également la probabilité d'événements sombres dus aux porteurs de charge générés thermiquement.

Bruit dans le photomultiplicateur de silicium

Les impuretés des semi-conducteurs et d'autres facteurs provoquent souvent des impulsions de sortie aléatoires à la fois en présence et en l'absence de lumière.

Bruit principal - Événement sombre

L'agitation thermique et d'autres facteurs conduisent souvent à la génération de paires et de porteurs électron-trou aléatoires. Si le porteur aléatoire pénètre dans la région d'avalanche de la région d'épuisement de l'APD, il traverse la région à champ élevé où il déclenche une décharge Geiger d'avalanche et une impulsion de courant de sortie. La génération de l'impulsion en l'absence de lumière est connue sous le nom d'événement sombre. Le taux de comptage d'obscurité fait référence au nombre d'événements sombres dans une période spécifiée et est exprimé en nombres par seconde (cps).

Bruit corrélé

Le bruit corrélé fait référence à la sortie des décharges d'avalanche secondaires déclenchées par un photon ou un événement sombre précédent. Les deux principaux types de bruit corrélés sont les événements Afterpulsing (AP) et Optical Crosstalk (OC).

Après-pulsation

La post-impulsion se produit lorsque les porteurs piégés lors de la multiplication par avalanche dans le silicium sont déchargés lors de la phase de récupération du SAPD. Les porteuses finissent par générer une nouvelle impulsion de courant secondaire d'une amplitude inférieure à l'originale.

Graphique de sortie d'impulsion de sortie SiPM normale et de bruit de postpulsion

Interphonie optique dans un SiPM

La diaphonie optimale (OC) se produit lorsqu'une avalanche primaire dans une microcellule déclenche une avalanche secondaire dans des microcellules adjacentes. L'effet net de la décharge secondaire (avalanche) sur l'impulsion de courant de sortie est qu'elle augmente l'amplitude du signal de sortie, de sorte qu'elle est supérieure à celle produite par le photon incident.

La probabilité de diaphonie optique (OC) augmente avec la surtension.

Conclusion

Les photomultiplicateurs au silicium sont des dispositifs de détection optique compacts à semi-conducteurs avec un gain élevé et une capacité à détecter la lumière jusqu'au niveau du photon. La technologie trouve des applications dans un large éventail de domaines et d'industries, mais présente quelques inconvénients, tels que le bruit, qui peuvent limiter ses performances. Cependant, la technologie SiPM continue de s'améliorer et a un grand potentiel à mesure qu'elle mûrit.