Fotodiody MPPC

1. Fotodiody MPPC Michał Dziewiecki Politechnika Warszawska Instytut Radioelektroniki 2008

2. 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)

3. 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)

4. Charakterystyka spektralna

5. Prąd ciemny • Temperatura złącza ma istotny wpływ na prąd ciemny • Stosuje się chłodzenie struktury dla zmniejszenia prądu ciemnego i poprawy parametrów szumowych

6. Zakres powielania lawinowego Tryb prądowy Tryb fotowoltaiczny Charakterystyka prąd-napięcie

7. Tryb fotowoltaiczny a prądowy • 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 • Tryb fotowoltaiczny: • polaryzacja złącza w kierunku przewodzenia • praca w charakterze źródła napięciowego • nieliniowa charakterystyka • możliwość dostarczenia energii elektrycznej przez detektor: zastosowanie w fotoogniwach

8. VR VR RL U=VR-Id•RL Praca w zakresie powielania lawinowego

9. 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)

10. Zależność G(VR)

11. Ograniczenia • Praca liniowa przy wzmocnieniach <= 103 (fotopowielacz: ≈107) • Działanie przy większych wzmocnieniach możliwe praktycznie tylko w trybie Geigerowskim

12. 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)

13. Sygnał z MPPC Wyraźnie widać skwantowanie sygnału Każdy pik odpowiada innej ilości „zapalonych” komórek. (Nie jest to tożsame z ilością fotonów.)

14. (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.

15. Charakterystyka spektralna

16. Parametry czasowe Szerokość impulsu: 15-20 ns Wpływ dużej częstości pobudzenia na amplitudę impulsu (recovery time)

17. Parametry czasowe Jitter czasowy: ≈250 ps

18. Gnom Zakres powielania lawinowego Zakres pracy w trybie prądowym – bez wzmocnienia (G=1) VBR Vop Warunki pracy

19. higher voltage higher temperature 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

20. Parametry geometryczne • Powierzchnia struktury • Liczba pikseli • Stopień wypełnienia

21. Przykłady produkowanych modeli

22. MPPC a fotopowielacz

23. MPPC a fotopowielacz

24. blue –production series red –sample devices Rozrzuty produkcyjne Stwierdzono istnienie istotnych rozrzutów VBR w serii produkcyjnej

25. 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

26. 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

27. PC with Control Software MPPC Feeder Electronics Box eth eth eth Nasze urządzenie pomiarowe

28. 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

29. Dziękuję za uwagę