Fotodiody MPPC Michał Dziewiecki Politechnika Warszawska Instytut Radioelektroniki 2008

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)

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 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

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

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)

Wyraźnie widać skwantowanie sygnału 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 Zakres powielania lawinowego 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 voltage Silna 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 ciemny kilka – 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 Umiarkowana Powierzchnia aktywna mm2 – dm2 kilka mm2 Rozmiary obudowy ≥ kilka cm3 kilkadziesiąt mm3 Praca jednofotonowa

blue – production series 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 Box PC with Control Software 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