внутренняя оптическая связь

УДК 001(06)+539.12(06). Физика ядра и элементарных частиц
П.Ж. БУЖАН, Б.А. ДОЛГОШЕИН, А.Л. ИЛЬИН,
В.А. КАНЦЕРОВ, В.А. КАПЛИН, А.И. КАРАКАШ,
Ф.Ф. КАЮМОВ1, С.Н. КЛЕМИН2, М.С. КУРГАНСКИЙ,
Е.В. ПОПОВА, Л.А. ФИЛАТОВ2
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
1Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва
2 ГУП НПП «Пульсар»
КРЕМНИЕВЫЕ ФОТОУМНОЖИТЕЛИ –
ВНУТРЕННЯЯ ОПТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
Одной из особенностей кремниевых фотоумножителей является оптическая
связь между ячейками, для подавления этого эффекта предлагается изменение
конструкции фотоприемников, позволяющие значительно улучшить их
характеристики.
Кремниевые фотоумножители (Si-ФЭУ) представляют собой
многоячеистые (~ 1000) лавинные фотодиоды, работающие в режиме
гейгеровского ограничения развития лавины [1]. По своим параметрам
они близки к параметрам вакуумных фотоумножителей, однако имеют
существенно меньшие размеры, более удобное для работы напряжение
питания (30-60 В) и, в перспективе, значительно более низкую стоимость.
В настоящее время разработаны и используются в ряде работ Si-ФЭУ с
размером чувствительной области 1-25 мм2. Продолжается работа по
оптимизации параметров Si-ФЭУ. Одним из направлений этой работы
является уменьшение эффекта оптической связи между ячейками.
Под понятием «оптическая связь» понимается следующее: при
развитии электронно-дырочной лавины в полупроводнике образуются
фотоны, которые распространяются в объеме фотоприемника и могут
поглотиться и вызвать новую лавину в других, преимущественно
соседних, ячейках Si-ФЭУ. Это приводит к дополнительной ошибке при
амплитудных
измерениях.
Количество
образующихся
фотонов
пропорционально числу электронов в лавине, т.е. пропорционально
коэффициенту усиления в одной ячейке. Согласно работе [2] один фотон
образуется на ≈ 105 электронов.
Одним из направлений развития Si-ФЭУ является регистрация
отдельных фотонов с высокой эффективностью. Наиболее эффективно это
достигается при увеличении размеров ячеек, что приводит одновременно
и к увеличению амплитуды импульсов, и к повышению эффективности
регистрации фотонов. Однако увеличение коэффициента усиления
ISBN 5-7262-0712-2. V Конференция НОЦ CRDF
79
УДК 001(06)+539.12(06). Физика ядра и элементарных частиц
приводит к появлению большего числа фотонов, т.е. к увеличению
оптической связи.
Для уменьшения оптической связи были разработаны и изготовлены
Si-ФЭУ по новой технологии. Исследование характеристик проводилось с
помощью методов временного анализа на специально изготовленных
структурах, содержащих по две ячейки. В качестве «стартового» сигнала
использовался сигнал с одной из ячеек, для улучшения временного
разрешения применялся формирователь со следящим порогом Canberra
CFD 454. Сигнал «стоп» брался от второй ячейки (также через
формирователь), временной интервал измерялся с помощью времяамплитудного преобразователя Canberra TAC/SCA 2145.
без оптической развязки
c оптической развязкой
10000
Число событий
1000
100
10
1
0
10
20
30
40
50
Время, нс
На рисунке представлены временные спектры интервалов между
срабатыванием одной ячейки относительно другой для двух пар ячеек –
применявшихся ранее без дополнительных мер защиты от оптической
связи и новых, с оптической развязкой. Как видно из рисунка, оптическая
связь уменьшается в десятки раз.
Список литературы
1. P. Buzhan, B. Dolgoshein, L. Filatov et al. Large area silicon photomultipliers: Perfomance
and applications // Nucl. Instrum. And Meth. 2006. A567. Р.78-82.
2. Andrea L. Lacatia, Franco Zappa et al. On the Bremstrallung Origin of Hot-Carrier-Induced
Photons in Silicon Devices // IEEE Transaction on Electron Devices. Vol.40, № 03, March 1993.
ISBN 5-7262-0712-2. V Конференция НОЦ CRDF
80
УДК 001(06)+539.12(06). Физика ядра и элементарных частиц
ISBN 5-7262-0712-2. V Конференция НОЦ CRDF
81