シリコン光電子増倍管（SiPM）の構造、特性、およびアプリケーション

シリコン光電子増倍管（SiPM）の構造、特性、および用途について学びます。

シリコン光電子増倍管（SiPM）は、光子の吸収時に出力電流パルスを生成するソリッドステートの高利得放射線検出器です。単一光子感度を備えたこれらのP-N接合ベースのセンサーは、近紫外線（UV）から近赤外線（IR）までの光の波長を検出できます。

一般に、コンパクトなソリッドステートSiPMは、かさばる光電子増倍管に代わる優れた方法であり、すべてのレベルの光を1つの光子まで感知、定量化、およびタイミング調整するのに適しています。

SiPMアプリケーションと利点

SiPMの主な利点には、高ゲイン、低電圧動作、優れたタイミング性能、高感度（単一光子まで）、および磁場に対する耐性が含まれます。これらの特性により、単一光子から最大数千光子までの光検出アプリケーションに適しています。

SiPMは、機械的衝撃に耐える能力を備えたコンパクトなデバイスです。それらの優れた性能により、特に正確なタイミングが必要な状況で、幅広い測光（光検出）アプリケーションに適しています。

典型的なSiPMアプリケーションには、バイオフォトニクス、LiDARおよび3Dレンジング、高エネルギー物理学、素粒子物理学、選別とリサイクル、危険と脅威の検出、蛍光分光法、シンチレーター、医療画像などがあります。

シリコン光電子増倍管の市場セクターには、産業、航空宇宙、自動車、石油およびガス、電子機器、情報通信技術が含まれます。

フローサイトメーターアプリケーション。浜松の好意により使用された画像

メーカーは多くの場合、アプリケーションとターゲットライトに応じて、SiPMの物理的なサイズ、デザイン、およびその他のパラメータをカスタマイズします。たとえば、UAVアプリケーションは小型化されたセンサーを使用しますが、フィールドガンマ分光法の操作は物理的に大きなアセンブリに依存します。また、可視光用に最適化されたRGB SiPMと、近紫外線領域用のNUVSiPMがあります。

SiPM構造

SiPMは、ピクセルまたはマイクロセルとも呼ばれる、数百または数千の自己消光された単一光子アバランシェフォトダイオード（SAPD）のアレイで構成されています。

各SAPDは、ブレークダウン電圧を超えてバイアスされたときに動作するように設計されており、標準のSiPM用に直列クエンチング抵抗、アノード、およびカソードが統合されています。

標準のSiPM構造。並列接続されたSPAD

SensLなどの一部のメーカーは、アノードとカソードに加えて3番目の出力端子を備えた高速出力SiPMを備えています。これには、SPADアノードに統合された高速出力コンデンサがあります。

SensL高速出力SiPM。オン・セミコンダクターの厚意により使用された画像

実際のアプリケーションでは、SiPMは数百または数千のマイクロセルを並列に使用して構成されます。これにより、複数の光子を同時に検出できるようになり、さまざまな光および放射線の検出アプリケーションで役立ちます。電気出力は、ピクセルが吸収するフォトンの数と直接相関します。

シリコン光電子増倍管の基本操作

ミクロンサイズのSAPDマイクロセルは、ブレークダウン電圧のすぐ上で、ガイガーモードの逆バイアス状態で動作するように設計されています。

SiPMのバイアス。オン・セミコンダクターの厚意により使用された画像

下の図は、APDの等価回路を示しています。一般に、P-N接合は光子作動スイッチとして機能します。マイクロセルに光が当たらない場合、スイッチSは開いており、接合容量CJの電圧はV _BIAS です。 。

SiPMの等価回路。浜松の好意により使用された画像

光子がマイクロセルに着地すると、電子正孔対が生成されます。次に、電荷キャリアの1つがアバランシェ領域にドリフトし、そこで自立したアバランシェプロセスが開始され、電流が流れます。クエンチされていない場合、電流は無期限に流れます。

光子を吸収すると、マイクロセルからSiPM出力電流パルスが発生します。 FirstSensorの厚意により使用された画像

アバランシェが開始するとスイッチSが瞬時に閉じ、V _BIAS からCJが放電します。 V _BD へ （ブレークダウン電圧）Rs（APD内部抵抗）を介して時定数R _S C _J 。

クエンチングが発生すると、スイッチSが開き、V _BIAS C _J を再充電します 時定数R _Q C _J 。 APDは回復段階にあり、ガイガーモードにリセットされ、新しい光子が検出されるのを待ちます。

SiPMの特徴

光子検出効率（PDE）

光子検出効率またはPDEは、光子を検出するSiPMの能力を定量化します。これは、SiPMに到達する光子に対する検出された光子の数の比率を指します。 PDEは、APDの端子間の過電圧ΔVと入射光子の波長λの関数です。

絶縁破壊電圧

絶縁破壊電圧（V _BD ）SiPMの場合、自己持続的なアバランシェ増倍をもたらす最小（逆）バイアス電圧です。 V _BIAS の場合 V _BD より上 SAPDは電流パルスを出力します。 V _BIAS の違い およびV _BD は、SiPMの動作を制御する過電圧ΔVです。過電圧ΔVを大きくすると、PDEとSiPMの性能が向上します。ただし、それを超えると、過電圧とともに増加するノイズやその他の外乱がSiPMの動作を妨害し始める上限があります。

絶縁破壊電圧は、温度やその他のSPAD特性に依存します。そのため、データシートには通常、さまざまな温度の絶縁破壊電圧が指定されています。

回復時間

これは、アバランシェがクエンチしてからマイクロセルが完全にリセットされ、入射光子を検出できるようになるまでにかかる時間です。回復時間中、マイクロセルは新しい入射光子を検出する能力をわずかに失います。回復フェーズの時定数はR _Q です。 C _J 。

温度特性

温度は、ブレークダウン電圧、ゲイン、接合容量、ダークカウント、およびフォトン検出効率に直接影響します。特に、絶縁破壊電圧は高温で高くなり、過電圧に正比例するゲインと光子の検出効率に影響を与えます。温度が高くなると、熱的に生成された電荷キャリアによるダークイベントの可能性も高くなります。

シリコン光電子増倍管のノイズ

半導体の不純物やその他の要因により、光の存在下と非存在下の両方でランダムな出力パルスが発生することがよくあります。

プライマリノイズ–ダークイベント

熱攪拌やその他の要因により、ランダムな電子正孔対とキャリアが生成されることがよくあります。ランダムキャリアがAPDの空乏領域のアバランシェ領域に入ると、アバランシェガイガー放電と出力電流パルスをトリガーする高電界領域を通過します。光がない状態でのパルスの生成は、ダークイベントとして知られています。ダークカウント率は、指定された期間のダークイベントの数を指し、1秒あたりのカウント（cps）として表されます。

相関ノイズ

相関ノイズとは、前の光子または暗イベントによってトリガーされた二次なだれ放電からの出力を指します。相関ノイズの2つの主なタイプは、アフターパルス（AP）イベントとオプティカルクロストーク（OC）イベントです。

アフターパルス

アフターパルスは、シリコンのアバランシェ増倍中にトラップされたキャリアがSAPDの回復フェーズ中に放電されるときに発生します。キャリアは、元のパルスよりも小さい大きさの新しい二次電流パルスを生成することになります。

通常のSiPM出力パルスとアフターパルスノイズ出力グラフ

SiPMの光クロストーク

最適なクロストーク（OC）は、1つのマイクロセルの一次アバランシェが隣接するマイクロセルの二次アバランシェをトリガーするときに発生します。出力電流パルスに対する二次放電（アバランシェ）の正味の効果は、出力信号の振幅を増加させ、入射光子によって生成される振幅よりも大きくなることです。

光クロストーク（OC）の確率は、過電圧とともに増加します。

結論

シリコン光電子増倍管は、高利得で光子レベルまでの光を検出する能力を備えたコンパクトなソリッドステート光センシングデバイスです。この技術は幅広い分野や産業でアプリケーションを見つけていますが、ノイズなど、パフォーマンスを制限する可能性のあるいくつかの欠点があります。ただし、SiPMテクノロジーはまだ改善されており、成熟するにつれて大きな可能性を秘めています。