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MPPC基础知识Q&A
来源: 发布时间:2017-07-25
MPPC是什么?

如果说“硅光电倍增管”应该非常熟悉。硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM/SSPM)可谓是当下光探测器届的新晋明星,根据其工作原理,也被称为多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter),即MPPC。

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。
 



滨松MPPC产品
  
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得以名声大燥的地方。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。



以下为MPPC产品涉及的多个基础性问题,在这里做出一一解答。

1、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105106的增益,这种工作模式就叫APD的“盖革模式”。

工作电压(盖革区)

工作电压(盖革区) 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(多像素光子计数器)


MPPC输出的示波器采样图和脉冲分析

MPPC(多像素光子计数器) MPPC输出的示波器采样图和脉冲分析 所示为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。

2、MPPC的全称和工作原理是什么?

“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(左)和电场分布图(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。

而每个APD像素都连接有一个淬灭电阻,由于所有的APD像素都连接到一个读出电路上,所以每个像素的输出脉冲就会相互叠加形成一个大脉冲。通过测量脉冲的高度或电荷,就可以估计MPPC检测的光子数了。

MPPC输出电荷量计算公式

3、MPPC的主要性能参数有哪些?




4、MPPC主要性能参数的讨论

有一些重要的MPPC性能参数项是我们必须要了解的,深入理解它们,可以明确其中相互影响的关系,帮助我们在选择或使用MPPC时更加得心应手。这里,我们提出了关于8个重要性能参数项的常见问题,来为大家一一解读。

1)影响MPPC探测效率的因素有哪些?

MPPC的探测效率=量子效率×填充因子×雪崩概率

其中填充因子和像素尺寸有关,雪崩概率与工作电压有关。像素尺寸越大,MPPC的探测效率越高;工作电压越高,MPPC的探测效率也越高。

2)MPPC的增益可调吗?


可调但范围有限,因此不建议用户调节MPPC的增益,容易造成暗电流和后脉冲增大。以下图为例,在推荐的工作电压附近,MPPC的增益(黑色实线)具有优良的线性。

滨松MPPC产品S13360的增益与偏压关系曲线


3)MPPC的动态范围由什么决定及其工艺改进方法?


MPPC动态范围和探测器像素多少以及MPPC中像素大小有关系,像素数越多动态范围越大,像素面积越小动态范围越大。

a)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。

像素尺寸与恢复时间的对比

b)可通过减小像素尺寸,增加探测面积,实现动态范围的改进。

4)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。


5)MPPC的串扰是什么?来源于哪?主要影响哪些性能?

a)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;

b)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;

c)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串扰对比图(所示为串扰改进前后的产品对比)

6)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后脉冲对比图

7)MPPC击穿电压能否进行挑选?

MPPC出厂参数提供每一个MPPC芯片的击穿电压,同一批次MPPC的操作电压离散性非常小,MPPC阵列内芯片间的离散性更小。在这方面,滨松可以根据使用者的需要,对于击穿电压提供挑选,还可以根据增益离散性要求为客户提供不同增益范围内的产品提供分别包装。

8)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。

a)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54mV/℃; 

b)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;

c)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。

5、噪声、探测率、串扰、后脉冲、增益和偏压之间的变化关系是什么?


6、MPPC能不能提供不同峰值波长的产品?

目前滨松可以提供峰值波长是450nm的MPPC产品、近红外敏感的MPPC、VUV的MPPC产品等。

7、MPPC和APD有什么区别和联系?滨松有没有单光子计数的APD?

1)MPPC是工作在盖革模式的APD并联而成的像素阵列,需要在高于击穿电压时工作。而常规APD根据工作电压有多个工作区域:1.无增益区;2.线性区;3.盖革区。

2)理论上,工作在盖革模式下的APD,高增益可实现单光子信号识别,滨松并没有特定用于单光子计数的APD芯片,但有拥有用于光子计数的MPPC模块产品。

8、MPPC的增益来源和PMT的增益来源有什么区别?MPPC和PMT相比有哪些方面的优劣势?

1)MPPC的增益来源于半导体内部的雪崩增益,光生载流子在高电场下电离产生新的电子—空穴对。新产生的载流子同样也会被加速产生电子-空穴对。而PMT的增益来自于倍增系统的二次电子发射效应。 MPPC的内部增益由G-APD像素单元P-N节电容放电输出的电荷量决定。表示为:
其中,Cpixel是像素单元P-N节电容,e是电子电荷量,ΔV是MPPC工作偏压高于G-APD像素盖格放电电压的超出值,称为过电压(overvoltage)。通常作为MPPC的静态工作点。

2)MPPC与PMT具有相近的增益和时间响应。相比于PMT,MPPC可实现更高的量子效率、更低的工作电压、更强的抗磁干扰、耐强光损伤以及低成本控制;但其探测面积小、温度系数高、噪声大、光谱响应范围稍窄。目前在一些大面积、低噪声应用场合还是很难达到PMT的使用效果。


9、TSV技术有什么优势?

2015年,滨松在新推出的MPPC中,采用了通孔电极TSV(硅通孔),即Through Silicon Via。由于不需要连接电极空间,四边外围间隙(封装与MPPC光敏区域之间)减少至0.2mm,可以实现四面拼接。相比传统手段,减小了有效感光面积周围的非敏感区域,提高了填充率。

滨松TSV MPPC系列产品

TSV系列的S13360-2050VE/-3050VE/-6050VE型MPPC可用于医学成像、高能粒子探测等辐射测量应用领域,以及其他微光探测的应用领域。

10、必须一个MPPC配一个电源吗?

只要电源输出电流在其最大输出电流范围内,一个电源可供多个MPPC单元同时使用。而且对于MPPC来说,芯片之间的工作电压离散性很小,同一个阵列内部的离散性更小,多个芯片一般情况下可以使用同一个工作电压。

例如在PET应用中一个MPPC电源C11204-01(最大输出电流:2mA)可以同时给60多个3*3mm的MPPC通道同时供电。

MPPC电源C11204-01

11、MPPC工作电压选择原则?


MPPC的工作点的选择原则可归纳为以下两点:

1)由于MPPC的增益及探测效率随偏压增高而增高,但同时暗计数率及G-APD像素单元间的串扰也会随之提高,因此合理工作点的选择需要对上述四项指标做适当的折衷处理; 

2)由于MPPC是一类温度敏感器件,其多项性能指标受到温度变化影响。因此工作点的选择需要在考虑温度-偏压补偿系数的基础上,对MPPC的工作点动态调整,以修正温度效应。

12、模拟输出型MPPC模块与数字输出型MPPC模块主要有哪些区别?

选择模拟输出还是数字输出型的MPPC模块,主要看入射光的强度。

1)如下图所示,当入射光信号微弱至离散的脉冲形式,数字输出采用脉冲计数的方法可实现更高的S/N;


2)当入射光信号增强,出现脉冲重叠的情况,如下图所示,模拟输出可检测一定时间内信号脉冲的平均值。此时的探测下限由暗电流和读出电路的截止频率决定。

13、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。

14、MPPC能否用于单光子计数?能否用于化学发光免疫分析?

MPPC是否可以进行单光子计数从以下几点进行分析:

1)MPPC具有106以上的增益,单光子信号具有非常可观的输出幅度;

2)MPPC本身的量子效率非常高,例如滨松MPPC模块C11202系列的探测率可以达到70%;

3)由于G-APD的面积非常小,所以恢复时间非常快,用于光子计数可以达到非常好的动态范围;

4)在暗计数方面,单点的盖革APD面积小所以暗计数非常低,不过对于多个盖革APD组成的MPPC来说暗计数就变的非常大,严重影响了MPPC的信噪比和动态范围。基于以上几点MPPC可以用于光子计数,但是对于MPPC来说,噪声和动态范围是制约其单光子计数应用的主要因素。

化学发光免疫分析仪是典型的光子计数法应用领域,但是由于其对探测面积有一定的要求并且在动态范围、暗计数方面也要求较高,所以目前来说MPPC还不能满足化学发光免疫分析仪的应用要求。

15、MPPC能否用于单光子事件、双光子事件的分辨?

MPPC内部的盖革APD具有非常可观的输出,并且每个像素输出的脉冲幅度有非常好的一致性,所以具有非常好的光子分辨能力,可以通过脉冲输出幅度来标定多光子事件,进行单光子、双光子事件的分辨。
16、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。