Fotodiody MPPC

Fotodiody MPPC
Michał Dziewiecki
Politechnika Warszawska
Instytut Radioelektroniki
2008
Fotodioda
Ładunki wygenerowane w
obszarze złącza zostają
rozdzielone pod wpływem pola
elektrycznego i stają się źródłem
prądu.
Fotodioda PiN:
zwiększona grubość obszaru
złącza dzięki zastosowaniu
warstwy półprzewodnika
samoistnego (i)
(źródło obrazków: Hamamatsu)
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
Zakres
powielania
lawinowego
Tryb
prądowy
Tryb
fotowoltaiczny
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
VR
VR
RL
U=VR-Id•RL
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
(≈106 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(VR)
Ograniczenia
Praca liniowa przy wzmocnieniach
<= 103 (fotopowielacz: ≈107)
 Działanie przy większych
wzmocnieniach możliwe praktycznie
tylko w trybie Geigerowskim

MPPC – Multi-Pixel Photon Counter
Matryca niezależnych fotodiod lawinowych
pracujących w trybie Geigerowskim umożliwia
quasi-analogowy odczyt natężenia światła (z
kwantem odpowiadającym - w pierwszym
przybliżeniu - jednemu fotonowi)
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
1000
3
Wzmocnienie (*10 )
900
800
Gnom
700
600
Zakres powielania
lawinowego
500
400
Zakres pracy w trybie
prądowym – bez
wzmocnienia (G=1)
300
200
100
0
64
65
66
67
68
69 VBR
Napięcie zasilania [V]
70
71 Vop
72
Parametry typowe dla MPPC
-Wzmocnienie (Gain)
-Wydajność detekcji
(PDE - Photon Detection Efficiency)
-Częstość zliczeń ciemnych
(Dark Rate)
-Efekty niepożądane
(Cross-Talk, After-pulse rate)
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 106-107
ok. 106
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
mm2 – dm2
kilka mm2
Rozmiary obudowy
≥ kilka cm3
kilkadziesiąt mm3
Praca jednofotonowa
Tak
Tak
Rozrzuty produkcyjne
blue –
production series
red –
sample devices
Stwierdzono istnienie istotnych
rozrzutów VBR 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
-
eth
eth
eth
Control
interface
Ethernet
switch
Slow control
Dual threshold
discriminator
MPPC Feeder
Fast ADC
Integrating
amplifier
Stepper motor
Position control
Temperature control
Kapustinsky flasher
Preamp + MPPC Vs
Nasze urządzenie pomiarowe
Electronics Box
Backplane
PC with
Control Software
Power
supply
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