硅光电倍增管 (SiPM) 是一种固态高增益辐射探测器，可在吸收光子时产生输出电流脉冲。这些基于 PN 结的传感器具有单光子灵敏度，可以检测从近紫外 (UV) 到近红外 (IR) 的光波长。
一般来说，紧凑的固态 SiPM 为笨重的光电倍增管提供了更好的替代品，适合对所有级别的光进行传感、量化和计时，直至单个光子。
SiPM 应用和优势
SiPM 的主要优点包括高增益、低电压运行、出色的定时性能、高灵敏度（低至单光子）和抗磁场能力。这些特性使其成为单光子到数千光子的光检测应用的良好选择。
SiPM 是紧凑型设备，能够承受机械冲击。其卓越的性能使其适用于各种光度测定（光检测）应用，特别是在需要计时的情况下。
典型的 SiPM 应用包括生物光子学、LiDAR 和 3D 测距、高能物理、航空粒子物理、分类和回收、危险和威胁检测、荧光光谱、闪烁体、医学成像等。
硅光电倍增管市场领域包括工业、航空航天、汽车、石油和天然气、电子以及信息和通信技术。
流式细胞仪应用。图片由滨松提供
制造商经常根据应用和目标光定制 SiPM 的物理尺寸、设计和其他参数。例如，无人机应用使用微型传感器，而现场伽马能谱操作则依赖于物理上更大的组件。此外，还有针对可见光优化的 RGB SiPM 和针对近紫外区域的 NUV SiPM。
SiPM结构
SiPM 由数百或数千个自猝灭单光子雪崩光电
二极管 (SAPD)（也称为像素或微单元）组成。
每个 SAPD 均设计为在偏压高于击穿电压时工作，具有一个集成的串联猝灭电阻器、一个阳极和一个用于标准 SiPM 的阴极。
标准SiPM结构；SPAD 并联
一些制造商（例如 SensL）拥有快速输出 SiPM，除了阳极和阴极之外，还具有第三个输出端子。SPAD 阳极有一个集成的快速输出电容器。
SensL 快速输出 SiPM。图片由安森美半导体提供
在实际应用中，SiPM由数百或数千个并联的微单元组成。这使其能够同时检测多个光子，并且在各种光和辐射检测应用中非常有用。电输出与像素吸收的光子数量直接相关。
硅光电倍增管的基本操作
微米级 SAPD 微电池设计为在盖革模式反向偏置条件下工作，略高于击穿电压。
对 SiPM 进行偏置。图片由安森美半导体 提供
下图显示了 APD 的等效电路。通常，PN 结充当光子操作开关。当光线没有落在微单元上时，开关 S 打开，结电容 CJ 上的电压为 V BIAS。
SiPM 的等效电路。图片由滨松提供
当光子落在微电池上时，它会产生电子空穴对。然后，其中一个电荷载流子漂移到雪崩区域，在那里启动自持雪崩过程和电流流动。如果未熄灭，电流将无限期地流动。
SiPM 在吸收光子后从微电池输出电流脉冲。图片由 First Sensor提供
雪崩开始时，开关 S 立即闭合，CJ通过 Rs（APD 内阻）从 V BIAS放电至 V BD （击穿电压），时间常数为 R S C J。
当失超发生时，开关 S 打开，V BIAS以时间常数 R Q C J对 C J进行再充电。APD 处于恢复阶段并重置回盖革模式，等待检测到新光子。
SiPM 的特性
光子探测效率 (PDE)
光子检测效率或 PDE 量化了 SiPM 检测光子的能力。这是指检测到的光子数量与到达 SiPM 的光子数量之比。PDE 是 APD 端子上的过电压 ΔV 和入射光子波长 λ 的函数。
击穿电压
SiPM 中的击穿电压 (V BD ) 是导致自持雪崩倍增的（反向）偏置电压。当 V BIAS高于 V BD时，SAPD 输出电流脉冲。V BIAS和 V BD之间的差异是控制 SiPM 运行的过压 ΔV。增加过压 ΔV 可提高 PDE 和 SiPM 性能。然而，存在一个上限，超过该上限，噪声和其他干扰会随着过压而增加，开始干扰 SiPM 运行。
击穿电压取决于温度和其他 SPAD 特性。因此，数据表通常指定不同温度下的击穿电压。
恢复时间
这是雪崩猝灭与微单元完全重置并获得检测传入光子的能力之间所需的时间。在恢复期间，微单元稍微失去检测新传入光子的能力。恢复阶段的时间常数为R Q C J。
温度特性
温度直接影响击穿电压、增益、结电容、暗计数和光子探测效率。特别是，击穿电压在高温下更高，并且会影响与过电压成正比的增益和光子检测效率。较高的温度还会增加由于热产生的电荷载流子而导致暗事件的可能性。
硅光电倍增管中的噪声
无论有光还是无光，半导体杂质和其他因素通常都会导致随机输出脉冲。
主要噪声 – 暗事件
热搅动和其他因素常常导致随机电子空穴对和载流子的产生。如果随机载流子进入 APD 耗尽区的雪崩区，它会穿过高场区，在高场区触发雪崩盖革放电和输出电流脉冲。在没有光的情况下产生脉冲被称为暗事件。暗计数率是指指定时间内暗事件的数量，以每秒计数（cps）表示。
相关噪声
相关噪声是指由先前的光子或暗事件触发的二次雪崩放电的输出。相关噪声的两种主要类型是后脉冲 (AP) 和光学串扰 (OC) 事件。
后脉冲
当硅中雪崩倍增过程中捕获的载流子在 SAPD 的恢复阶段被释放时，就会发生后脉冲。载流子终产生一个新的次级电流脉冲，其幅度比原来的要小。
正常 SiPM 输出脉冲和后脉冲噪声输出图
SiPM 中的光学串扰
当一个微蜂窝中的雪崩触发相邻微蜂窝中的二次雪崩时，就会出现串扰 (OC)。二次放电（雪崩）对输出电流脉冲的净效应是它增加了输出信号的幅度，使其高于入射光子产生的幅度。
光学串扰 (OC) 的可能性随着过电压的增加而增加。
结论
硅光电倍增管是紧凑的固态光学传感器件，具有高增益并能够检测低至光子水平的光。该技术正在广泛的领域和行业中找到应用，但存在一些缺点，例如噪音，可能会限制其性能。然而，SiPM技术仍在不断进步，并且随着其成熟而具有巨大的潜力。
