硅光电层层（SIPM）结构，特征和应用

　　硅光电塑料（SIPM）是一种固态的高增益辐射检测器，在吸收光子后会产生输出电流脉冲。这些具有单光子灵敏度的基于PN连接的传感器可以检测到从近硫酸盐（UV）到近红外（IR）的光波长。
　　通常，紧凑的固态SIPM为笨重的光电倍增管提供了更好的替代方法，适用于感测，量化和计时所有级别的光线降低到单个光子。
　　SIPM申请和福利
　　SIPM的主要好处包括高增益，低压操作，出色的时机性能，高灵敏度（降至单个光子）以及对磁场的免疫力。这些特征使其成为从单个和多几千个光子的光检测应用的理想选择。
　　SIPMS是具有承受机械冲击的能力的紧凑型设备。它们的出色性能使它们适合多种光度法（光检测）应用，尤其是在需要时机的情况下。
　　典型的SIPM应用包括生物光谱，LIDAR和3D范围，高能物理学，空气粒子物理，分类和回收，危害和威胁检测，荧光光谱，闪烁体，医学成像等。

　　硅光电塑料市场领域包括工业，航空航天，汽车，石油和天然气，电子产品以及信息与通信技术。

　　流式细胞仪的应用。图片由Hamamatsu提供
　　制造商经常根据应用和目标光自定义SIPM的物理大小，设计和其他参数。例如，无人机应用程序使用微型传感器，而现场伽马光谱操作依赖于物理上更大的组件。此外，还有针对近粉状区域的可见光和nuv sipm优化的RGB SIPM。
　　SIPM结构
　　SIPM由数百或数千个自淬灭的单光雪崩光电二极管（SAPDS）组成，也称为像素或微孔。

　　每个SAPD均设计为偏向分解电压时起作用，具有集成的串联电阻，阳极和标准sipms的阴极。

　　标准SIPM结构；并行连接的蜘蛛

　　除了阳极和阴极外，一些制造商（例如SENSL）具有快速输出SIPM。这在Spad阳极上具有集成的快速输出电容器。

　　SENSL快速输出SIPM。图像由半导体提供
　　在实际应用中，SIPM由数百或数千个并行的微孔组成。这使其能够同时检测多个光子，并且在各种光和辐射检测应用中很有用。电输出直接与像素吸收的光子数量有关。
　　硅光电塑料的基本操作

　　微米大小的SAPD微型电池旨在在盖尔模式的反向偏置条件下进行操作，即在崩溃电压上方。

　　偏向SIPM。图像由半导体 提供

　　下图显示了APD的等效电路。通常，PN连接充当光子操作开关。如果没有光落在微电池上，则开关S开放，并且连接电容上的电压CJ为V偏置。

　　SIPM的等效电路。图片由Hamamatsu提供

　　当光子降落在微电池上时，它会产生一个电子孔对。然后，其中一个电荷载体漂流到雪崩地区，在那里它启动了自我维持的雪崩过程和当前流动。如果没有震动，电流将无限期流动。

　　吸收光子后，SIPM从微电池输出电流脉冲。图像由传感器提供开关S立即关闭，雪崩和CJ从V偏置到V BD （崩溃电压）通过RS（APD内部电阻）的启动，并以R S C J的时间常数为单位（APD内部电阻）。
　　随着淬火的发生，开关S打开，V偏置在时间常数r Q c j中充电C J。 APD处于其恢复阶段，并重置为Geiger模式，等待检测新的光子。
　　sipms的特征
　　光子检测效率（PDE）
　　光子检测效率或PDE量化了SIPM检测光子的能力。这是指检测到的光子与达到SIPM的光子的比率。 PDE是跨入射光子APD和波长λ端子的过压ΔV的函数。
　　故障电压
　　SIPM中的故障电压（V BD ）是导致自我维持的雪崩繁殖的（反向）偏置电压。当V偏置在V BD上方时，SAPD会输出电流脉冲。 V偏置和V BD之间的差异是控制SIPM操作的过电压ΔV。增加过电压ΔV可以改善PDE和SIPM性能。但是，有一个上限，噪声和其他干扰随着过电压而增加，开始干扰SIPM操作。

　　故障电压取决于温度和其他SPAD特性。因此，数据表通常指定不同温度的故障电压。

　　恢复时间
　　这是在雪崩的淬火和微孔完全重置并获得检测传入光子的能力之间的时间。在恢复时间内，Microcell稍微失去了检测新传入光子的能力。恢复阶段的时间常数为R Q C J。
　　温度特征
　　温度直接影响分解电压，增益，连接电容，黑暗计数和光子检测效率。特别是，在升高的温度下，故障电压较高，并且会影响与过压成正比的增益和光子检测效率。由于热产生的电荷载体，较高的温度还将增加黑暗事件的可能性。
　　半导体杂质和其他因素通常会在存在和没有光的情况下引起随机输出脉冲。
　　主噪音 - 黑暗事件
　　热搅拌和其他因素通常会导致随机电子孔对和载体的产生。如果随机载体进入APD耗竭区域的雪崩区域，它将穿过高场区域，在该区域触发雪崩Geiger排放和输出电流脉冲。在没有光的情况下，脉搏的产生被称为黑暗事件。黑暗计数率是指在指定期间内的黑暗事件的数量，表示为每秒计数（CPS）。
　　相关噪声
　　相关噪声是指由先前的光子或黑暗事件触发的二次雪崩放电的输出。相关噪声的两种主要类型是螺栓（AP）和光串扰（OC）事件。
　　当在SAPD的恢复阶段，在硅胶中被困的载体被困在雪崩繁殖过程中时，发生后螺栓。载体终会产生比原始较小幅度的新次级电流脉冲。
　　正常的SIPM输出脉冲和螺栓后噪声输出图
　　当一个微电池中的主要雪崩触发相邻的微型电池中的二次雪崩时，就会发生串扰（OC）。次级排放（雪崩）对输出电流脉冲的净效应是，它增加了输出信号的幅度，因此它高于入射光子产生的幅度。光串扰（OC）的概率随着过压而增加。