光电探测技术与应用 课件 第五章2-SiPM.pdf

第五章固态光电倍增管原理及应用

增益高；

偏置电压低；

时间响应快速；

对磁场不敏感。

SensL公司

SiPM的关键技术发展历程

全球部分SiPM研究机构

及知名生产公司SiPM产品一览

SPAD（单光子雪崩二极管）的3种工作模式解析图

SiPM由成百上千个相同的SPAD构成，基于雪崩倍增原理实现内部增益。SPAD本质

上可以看作一个PN结，其产生的电场强度随施加的偏置电压的增大而增大。（1）当偏

置电压过低时，生成的电子-空穴对不会产生额外的倍增。增大偏置电压使得撞击光子生

成的电子获得足够的能量，可以通过电离撞击生成二次电子-空穴对，获得较大的倍增。

（2）当偏置电压进一步增大直至高于击穿电压VBR时，空穴与电子均将获得足够的能量。

此时，耗尽层中的单个载流子在强大的电场环境下可以持续发生雪崩现象。（3）一般可

以采用串联淬灭电阻降低电流（被动淬灭）或直接降低偏置电压直至低于击穿电压（主

动淬灭）的方法来控制雪崩结束。因此，根据两端施加偏置电压的大小，可将SPAD分为

3个工作区间，分别是光电二极管区间、雪崩光电二极管区间和SiPM区间。

SiPM特点及封装

固态光电倍增管即硅光电倍增管（SiPM）是一种新型的光电探

测器件，由工作在盖革模式的雪崩二极管阵列组成。

陶瓷封装贴片封装金属封装

SiPM最初由莫斯科工程物理研究院发明，随后这个设计思想被

滨松、Voxtel、Photonics、意法半导体等公司在不同程度上进行了

改进和深入应用。小面积SiPM封装有陶瓷、贴片、金属封装。

SiPM的组成

SiPM是一个APD的阵列，每个微单元包含一个单光子计数

盖革式APD和一个淬灭电阻。

SiliconPhotomultiplier(SPM)

OPTICALDETECTIONTHEORY6

ANDTECHNOLOGY2012

SiPM工作原理

硅光电倍增管SiPM由许多工作于盖革模式的APD和淬

灭电阻（QuenchingResistor，RQ）组成。所有微元的响应

信号共同集成SiPM的输出信号。其结构如图所示。

SiPM微元工作过程

APD和淬灭电阻组成微元。每个微元

的工作过程如图所示。

1-2：当有光子射入耗尽区时，APD

产生雪崩效应而产生较大的电流。

2-3：结电容和淬灭电阻组成的RC电

路将重置APD的偏置电压，等待下一个光

子射入。

每个微元恢复初始状态的时间（淬灭

时间）非常短，通常为纳秒级，保证了

SiPM具有极短