Fotodiody MPPC

Michał Dziewiecki

Politechnika Warszawska

Instytut Radioelektroniki

2008

Fotodioda

(źródło obrazków:
Hamamatsu)

Fotodioda PiN:
zwiększona grubość obszaru
złącza dzięki zastosowaniu
warstwy półprzewodnika
samoistnego (i)

Ładunki wygenerowane w
obszarze złącza zostają
rozdzielone pod wpływem
pola elektrycznego i stają się
źródłem prądu.

Generacja ładunku

-

Fotodioda ma charakter źródła
prądowego

-

Dwa główne źródła prądu
wstecznego (płynącego odwrotnie
do kierunku przewodzenia diody):

-

Efekt fotoelektryczny (prąd „jasny”)

-

Generacja termiczna (prąd ciemny)

Charakterystyka spektralna

Prąd ciemny

-Temperatura złącza ma
istotny wpływ na prąd
ciemny

-Stosuje się chłodzenie
struktury dla
zmniejszenia prądu
ciemnego i poprawy
parametrów szumowych

Charakterystyka prąd-
napięcie

Tryb

fotowoltaiczn

y

Tryb

prądowy

Zakres

powielania

lawinoweg

o

Tryb fotowoltaiczny a
prądowy

Tryb fotowoltaiczny:

- polaryzacja złącza w

kierunku przewodzenia

- praca w charakterze

źródła napięciowego

- nieliniowa

charakterystyka

- możliwość dostarczenia

energii elektrycznej przez
detektor: zastosowanie w
fotoogniwach

Tryb prądowy:

- polaryzacja złącza w

kierunku zaporowym

- praca w charakterze źródła

prądowego

- charakterystyka liniowa

- zależność natężenia prądu

od napięcia polaryzacji jest
minimalna w szerokim
zakresie napięć zasilających

- stosowany w

fotodetektorach

Praca w zakresie powielania
lawinowego

V

R

U=V

R

-I

d

•R

L

R

L

V

R

Fotodioda lawinowa (APD)

-

Skonstruowana pod kątem pracy

w zakresie powielania

lawinowego (nie dochodzi do

uszkodzenia złącza)

-

Praca w trybie „analogowym”

jest niestabilna przy większych

wzmocnieniach– fotodioda

lawinowa nie zdaje egzaminu

jako „krzemowy fotopowielacz”

-

Bardzo duże wartości

wzmocnień (≈10

6

i większe)

umożliwiają detekcję

pojedynczych fotonów (praca w

trybie Geigerowskim, sygnał od

większej ilości fotonów wygląda

tak samo jak jednofotonowy)

-

Wymaga użycia układu tłumienia

lawiny (w najprostszym wypadku

jest to rezystor szeregowy)

Zależność G(V

R

)

Ograniczenia



Praca liniowa przy wzmocnieniach
<= 10

3

(fotopowielacz: ≈10

7

)



Działanie przy większych
wzmocnieniach możliwe praktycznie
tylko w trybie Geigerowskim

Matryca niezależnych fotodiod lawinowych
pracujących w trybie Geigerowskim
umożliwia quasi-analogowy odczyt
natężenia światła (z kwantem
odpowiadającym - w pierwszym
przybliżeniu - jednemu fotonowi)

MPPC – Multi-Pixel Photon
Counter

Sygnał z MPPC

Wyraźnie widać

skwantowanie sygnału

Każdy pik odpowiada innej
ilości „zapalonych”
komórek. (Nie jest to
tożsame z ilością fotonów.)

(Nie)liniowość

Każda komórka MPPC
posiada swój czas
martwy –
nieliniowość przy
dużej ilości fotonów.
Przy ilościach
fotonów dużo
mniejszych od ilości
komórek detektor
można uznać za
liniowy.

Charakterystyka spektralna

Parametry czasowe

Szerokość impulsu: 15-20 ns

Wpływ dużej częstości
pobudzenia na amplitudę
impulsu (recovery time)

Parametry czasowe

Jitter czasowy: ≈250 ps

Warunki pracy

Zakres pracy w trybie

prądowym – bez

wzmocnienia (G=1)

Zakres powielania

lawinowego

V

BR

V

op

G

nom

Parametry typowe dla MPPC

-Wzmocnienie (Gain)

-Wydajność detekcji
(PDE - Photon Detection
Efficiency)

-Częstość zliczeń ciemnych
(Dark Rate)

-Efekty niepożądane
(Cross-Talk, After-pulse rate)

high

er

tem

pera

ture

hig

he

r v

olt

ag

e

Silna zależność parametrów
od napięcia zasilania (Vop-
VBR)
i temperatury

Parametry geometryczne

-

Powierzchnia struktury

-

Liczba pikseli

-

Stopień wypełnienia

Przykłady produkowanych
modeli

MPPC a fotopowielacz

Fotopowielacz

MPPC

Wydajność
kwantowa

do ok. 40% QE
(350nm)

25-65% PDE
(400nm)

Wzmocnienie

typowo 10

6

-10

7

ok. 10

6

Prąd ciemny

kilka –

kilkadziesiąt CPS

≈500 kCPS
(0.5 p.e.)

Czas trwania
impulsu

kilka –
kilkadziesiąt ns

15-20 ns

Jitter czasowy

≈ 250 ps

250 ps

MPPC a fotopowielacz

Fotopowielacz

MPPC

Nap. zasilania

≈1kV

<100V

Odporność na pole

magnetyczne

Nie

Tak

Wytrzymałość

mechaniczna

Mała

Duża

Odporność

radiacyjna

Duża

Umiarkowana

Powierzchnia
aktywna

mm

2

– dm

2

kilka mm

2

Rozmiary obudowy

≥ kilka cm

3

kilkadziesiąt mm

3

Praca

jednofotonowa

Tak

Tak

Rozrzuty produkcyjne

blue –

production series

red –

sample devices

Stwierdzono istnienie
istotnych rozrzutów V

BR

w serii

produkcyjnej

Pomiary MPPC

-

Spore rozrzuty produkcyjne wymagają

indywidualnej kalibracji fotosensorów w

niektórych zastosowaniach

-

Znajomość charakterystyk

temperaturowych

i napięciowych poszczególnych

parametrów umożliwia przeprowadzenie

kompensacji programowej

-

Pożądane jest poznanie zarówno ogólnej

charakterystyki detektorów oraz

indywidualnych parametrów

poszczególnych egzemplarzy

MPPC w T2K

-

Duża ilość fotosensorów w
poszczególnych detektorach

-

Decyzja o zmierzeniu parametrów
wszystkich egzemplarzy MPPC
niezależnie od pomiarów
przeprowadzonych przez producenta
(możemy zmierzyć nieco więcej)

-

Konieczność zestawienia własnej
aparatury przez każdy ośrodek biorący
udział w pomiarach

Nasze urządzenie pomiarowe

MPPC Feeder

Electronics Box

PC with

Control Software

eth

eth

eth

Parametry urządzenia
pomiarowego



Kontrola temperatury i napięcia

zasilającego



Pomiar wzmocnienia, PDE i częstości

zliczeń ciemnych



Detekcja zdarzeń typu After-pulse

(możliwość odróżnienia od zdarzeń

typu Cross-Talk)



Podajnik na 32 fotodiody i jeden tor

pomiarowy – automatyzacja pomiaru

Dziękuję za uwagę