Download - Fotodiody MPPC
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