Fotodiody MPPC Michał Dziewiecki Politechnika Warszawska

Prezentacja na temat: "Fotodiody MPPC Michał Dziewiecki Politechnika Warszawska"— Zapis prezentacji:

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 Charakterystyka prąd-napięcie
Tryb fotowoltaiczny Tryb prądowy Zakres powielania lawinowego

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

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 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.)

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

19 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

20 Parametry geometryczne
Powierzchnia struktury Liczba pikseli Stopień wypełnienia

21 Przykłady produkowanych modeli

22 MPPC a fotopowielacz Fotopowielacz MPPC Wydajność kwantowa
do ok. 40% QE (350nm) 25-65% PDE (400nm) Wzmocnienie typowo 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

23 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

24 blue – production series
Rozrzuty produkcyjne blue – production series red – sample devices 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 Nasze urządzenie pomiarowe
MPPC Feeder Electronics Box PC with Control Software eth

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