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. 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 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 время-амплитудного преобразователя Canberra TAC/SCA 2145.
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.
