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