硅光电倍增管（MPPC/SiPM）基础知识
无标题文档
|
MPPC基础知识包括工作原理，参数定义及特性，温度补偿，各类型探测器对比等。
|
|
● MPPC是什么？
MPPC是滨松Si-PM(硅光电倍增管)的一个商标，全称是Multi Pixel photon counter(多像素光子计数器)。从名称来看以下的名称都代表Si-PM，不同的时间阶段和厂家叫的名字不同 Si-PM: Silicon photo Multiplier SiPMT：Silicon photo Multiplier Tube SPM: Silicon photo Multiplier SSPM: Solid state photo Multiplier SPADA: Singe photon Avalanche Diode Array。
MPPC由多个工作在盖革模式下的APD组成，虽然本质上是一个光半导体，但它具有优良的光子计数能力，适用于监测在光子计数水平下极弱光的场合，具备着低电压工作、高光子探测效率、快速响应、以及优良的时间分辨率和宽光谱响应范围等特点，并可在抗磁场干扰、耐机械冲击中发挥出固态器件的优势。
|
|
|
|
|
不过，各项优点的核心部分，还是它可以进行“光子计数水平下极弱光的探测”，这也是MPPC得以名声大噪的地方。因为在20世纪90年代前，只有光电倍增管（PMT）能在极弱光精密探测中有所建树。而现在，这位“新选手”已在诸多该类应用中（PET、高能物理、辐射测量等），从传统的PMT领地里开辟出了属于自己的新天地。
|
|
● 什么是盖革模式APD？
在上面的定义中说到了，MPPC由多个工作在盖革模式下的APD串联淬灭电阻组成。首先，APD（Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管）是一种具有高速度、高灵敏度的光电二极管，当加有一定的反向偏压后，它就能够对光电流进行雪崩放大。
而当APD的反向偏压被设定为高于击穿电压时，内部电场更强，光电流则会获得105～106的增益，这种工作模式就叫APD的“盖革模式”。
|
|
|
|
在盖革模式下，光生载流子通过倍增就会产生一个大的光脉冲，而通过对这个脉冲的检测，就可以检测到单光子。将盖革模式下的APD上连接一个淬灭电阻作为1个像素，就构成了MPPC的基本单元，而它输出的总和也构成了MPPC的输出，后则可根据该输出进行光子计数或者信号强度的测量。
|
|
|
|
MPPC输出在示波器上多次采样的输出叠加，可以看出信号输出明显的分立性，通过脉冲高度分析，可以很清晰的看到，脉冲高度成一定的比例，这个现象表明MPPC可以清晰的分辨出光子的每个脉冲中所含有的光子个数。
|
|
|
|
● MPPC的工作原理是什么？
“MPPC”——Multi Pixel Photon Counter（多像素光子计数器），这个命名是从工作原理角度出发得来的。
MPPC的工作原理：结构图（图左）和电场分布图（图右） MPPC由多个工作在盖革模式下的APD并列组成。在盖革模式下，其实每个APD像素输出脉冲高度与进入像素的光子数无关。这意味着，每个APD像素只会对收到或未收光子做出反应并提供信息。
|
|
|
|
"MPPC" —— Multi Pixel Photon Counter（多像素光子计数器），这个命名是从工作原理角度出发得来的。
MPPC的工作原理：结构图（图左）和电场分布图（图右） MPPC由多个工作在盖革模式下的APD并列组成。在盖革模式下，其实每个APD像素输出脉冲高度与进入像素的光子数无关。这意味着，每个APD像素只会对收到或未收光子做出反应并提供信息。
|
|
|
|
● MPPC的主要性能参数有哪些？
|
|
● 制约MPPC应用的主要因素有哪些？
1. 噪声大，会影响实际使用中的S/N；
2. 由于MPPC工艺结构的设计，其峰值波长及响应范围会有一定的局限性；
3. 探测面积小、温度系数高；
4. 动态范围也是制约MPPC的应用的重要因素。
|
|
● 影响MPPC探测效率的因素有哪些？
第一个是填充因子，它指的是有效探测面积与MPPC总面积的比值:
Fg=Asensitive/Aall
这是因为，MPPC由多个APD单元组成，单元与单元间存在间隙，而光子打到这个区域不会引起雪崩，这就导致了有效探测面积会小于MPPC总面积。
第二个是量子效率，当光子进入光敏区域后，会有一定的概率转换成电子空穴对，这个概率就是量子效率，量子效率的大小则取决于入射光子的波长。
第三个是雪崩概率，初级电子空穴对并不一定能够100%的引发雪崩，一般来讲，内电场越大，雪崩概率就越大。
PDE的大小就是填充因子，量子效率，与雪崩概率的乘积：PDE=Fg × QE × Pa
|
|
● 暗电流和暗计数定义，以及换算关系
MPPC全称是Multi Pixel Photon Counter，从原理上来说MPPC是靠记录光子的个数来表征光的强度的，所以在大部分情况下我们用暗计数来表征暗特性，例如我们取阈值为0.5pe记录大于阈值的暗噪声脉冲定义为暗计数。那怎么换算成暗电流呢，滨松利用公司利用公式：Id=q * 增益 * 暗计数
|
|
● MPPC的串扰是什么？来源于哪？主要影响哪些性能？
（1）一个雪崩倍增过程中产生的电子可能没有进入初始的APD像素，而被其他APD像素探测到，使得MPPC的输出脉冲高于本来应有的输出脉冲幅度，产生串扰现象；
(2) MPPC在雪崩过程中会产生次级光子，次级光子可能会被周围的像素探测到，这也是MPPC串扰的重要来源；
（3）串扰与反向偏压有关，反向偏压越大，串扰越严重。串扰也会影响MPPC的光子数分辨能力。
|
|
● MPPC的后脉冲是什么及其来源？
当一个光子引发雪崩效应后，雪崩电流流经APD，其中的晶格缺陷会捕获载流子，这些载流子如果在本次释放中没有耗尽的话，会引起二次雪崩——后脉冲。引起后脉冲的载流子数量与两次雪崩间隔时间或恢复时间有关。
|
|
● MPPC的响应速度如何理解？
MPPC的响应速度体现在上升时间上，一般为ns量级。像素尺寸越大，感光面积越大，则电容越大，响应越慢。
|
|
● MPPC的动态范围由什么决定及其工艺改进方法？
改进方法有：
（1）MPPC的动态范围与其像素总数有关，如下图所示，单位面积内像素越多，多光子同时进入一个像素的概率越小，动态范围越大，单个像素尺寸越小，结电容越小，脉冲越窄，动态范围越大；当像素尺寸相同时，感光面积越大，动态范围越大；
（2）可通过减小像素尺寸，增加探测面积，实现动态范围的改进。
|
|
● MPPC的脉冲测试原理是什么？
MPPC通过记录发生响应的APD个数来表征光的强度，所以对于MPPC来说像素数越多，像素的恢复时间越短动态范围越大。当脉冲光照射到MPPC表面以后，由于MPPC像素非常多且每个像素的恢复时间非常快，所以MPPC能够在一定的光强及脉冲时间范围内保证光子数和发生响应的像素数成正比，这个范围就是MPPC进行脉冲测试的线性范围。
MPPC的动态范围内，输出电荷数与输入光子数成正比，因此可通过输出电荷数表示一定时间内输入光子数，同样光子数情况下，MPPC动态范围和测试光的脉冲宽度有关。
|
|
● MPPC的增益、暗计数、串扰、后脉冲、PDE和时间分辨率与偏压之间的变化关系是什么？
|
|
● 增益，串扰，光子探测效率随过电压的关系?
|
|
● MPPC像素大小主要影响哪些特性？
像素大小主要影响增益、光子探测效率、动态范围、重复频率。像素越大，增益越大，光子探测效率增强，动态范围变小，重复频率降低。
|
|
● MPPC温度特性
MPPC温度特性一般是指温度变化引起的MPPC增益下降，但是在实际情况下温度对MPPC带来的影响，远不止灵敏度下降，还有一些其他问题例如噪声、淬灭电阻、极间电容等。温度对噪声的影响是比较明显的，而且也是普遍大家能够想到的。但是淬灭电阻、极间电容的影响，就很难注意到了，只有在一些特殊的场合，例如PET应用中，大家都比较关心时间特性，而电容、电阻、噪声都会影响到MPPC的时间特性，而这些特性MPPC明显优于同类产品的竞争对手。
|
|
● MPPC温度校正特性
MPPC增益随温度升高而降低，所以为了保证MPPC增益不变，一般情况下采取偏压温度补偿的方法，当温度升高时候MPPC增益降低，需要增加偏压进行增益调整，在这里我们主要澄清两个概念:
1. 增益Vs温度稳定性：增益稳定性指温度改变引起的增益变化率;
2. 偏压温度系数：偏压温度系数指要保证增益不变每升高1 ℃需要调整的偏压值。
增益vs温度稳定性与产品型号以及工作电压有关系，工作电压越高增益vs温度稳定性越好，一般是1%左右，如果客户需要高温度稳定性可以选择高的工作电压。偏压温度系数为了保持增益一致性，需要调整的偏压系数，系数和增益电压曲线有关系，绝对值不具有任何意义，如果在温度VS增益一致性一定的情况下，增益电压曲线越平滑，调整偏压幅度越大，增益电压曲线越陡峭，调整偏压幅度越小，当然增益电压曲线越平滑，增益稳定性越高。
|
|
● MPPC的温度系数是多少？温度升高/降低（温漂问题）会导致什么不良结果？是否需要温控？
MPPC的增益与温度有关。当温度升高时，晶体内部的点阵振动加剧。在加速的载流子能量变到足够大之前，增加了载流子撞击晶体的可能性，并且使离子化很难发生。所以，随着温度的升高，反向偏压不变时，增益下降。为了得到稳定的输出，根据温度，改变反向偏压或保持温度恒定是很有必要的。
1. 滨松MPPC的温度系数是用来维持增益不变的，增益系数用每摄氏度改变偏压量来表示，以S13360系列为例，温度系数是54 mV/℃;
2. 温度升高，暗计数变大。温度降低，载流子因晶体缺陷被截留的概率也越高，后脉冲增加。此外，MPPC增益与温度有关，温度升高且反向偏压不变时，增益下降;
3. 为了得到稳定的输出，根据温度改变反向偏压或保持设备的温度恒定是很有必要的。因此，可以通过温度补偿电路或制冷的方式实现电压控制或温度控制，以满足增益、暗计数等的要求。
|
|
● 为什么在温度变化的环境里使用MPPC需要加温度反馈？
MPPC的增益受温度影响。温度升高，晶格震动强烈，载流子在获得足够大的加速能量之前撞击晶格的概率越大，电离发生的难度越高。如图1，反向电压不变，温度升高导致增益降低。为了维持稳定输出，需要根据温度变化调节反向电压，或者保持器件温度恒定。从图2 可以看到，以S13360-3050CS为例，使用温度反馈调节后，随温度变化，增益基本不变。
|
|
● MPPC如何实现温度补偿？
MPPC驱动电路板上有温度传感器，一般我们会给MPPC供上一个确定的电压值，此时，如果温度升高，击穿电压就会变大，从而过电压就会变小，进而导致了增益的下降。这个时候，如果我们根据温度变化来相应的补偿偏压的大小，就可以使得过电压保持不变，进而稳定探测器的增益。
|
|
针对以上内容，如您有任何问题，欢迎联系我们
|
|
|