Fotodiody MPPC

Michał DziewieckiPolitechnika Warszawska

Instytut Radioelektroniki2008

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 fotowoltaiczny

Tryb prądowy

Zakres powielania lawinowego

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

U=VR-Id•RL

RL

VR

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

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

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

64 65 66 67 68 69 70 71 72

Napięcie zasilania [V]

Wzm

ocni

enie

(*10

3 )

Zakres pracy w trybie prądowym – bez

wzmocnienia (G=1)

Zakres powielania lawinowego

VBR Vop

Gnom

Parametry typowe dla MPPC

-Wzmocnienie (Gain)-Wydajność detekcji (PDE - Photon Detection Efficiency)-Częstość zliczeń ciemnych (Dark Rate)-Efekty niepożądane (Cross-Talk, After-pulse rate)

higher temperature

higher volta

geSilna 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 ciemnykilka – 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

Nasze urządzenie pomiarowe

MPPC Feeder Electronics BoxPC with

Control Software

Ste

pper

mot

orP

ositi

onco

ntro

l

Tem

pera

ture

cont

rol

Pre

amp

+ M

PP

C V

s

Kap

ustin

sky

flash

er

Backplane

Inte

grat

ing

ampl

ifier

Fas

t AD

C

Dua

l thr

esho

lddi

scrim

inat

or

Slo

w c

ontr

ol

Con

trol

inte

rfac

e

Eth

erne

t sw

itch Power

supply

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