Detektor lawinowy działa poprzez zbieranie fotonów z lawiny. Po dotarciu fotonów, elektroniczny obwód gaszący zmniejsza napięcie na diodzie poniżej napięcia progowego. To zatrzymuje lawinę i sprawia, że detektor jest ponownie gotowy do wykrywania fotonów. Proces ten ogranicza jednak szybkość zliczania do 10 MHz, ze względu na czas martwy. Ogranicza to wydajność kwantową detektora.
Detektor lawinowy o niskim wzmocnieniu
Detektory lawinowe o niskim wzmocnieniu mają szereg zalet w stosunku do ich odpowiedników o wysokim wzmocnieniu. Podstawowym założeniem tych detektorów jest wykorzystanie struktury n+-p+-p++ półprzewodników do uzyskania wysokich pól elektrycznych na styku złącza, umożliwiających jonizację naładowanych cząstek. LGAD są w stanie osiągnąć współczynniki wzmocnienia rzędu kilkudziesięciu ładunków, w zależności od kształtu profilu i domieszkowania warstwy p+. W efekcie mogą być wykonane jako niezwykle cienkie, co umożliwia ich niskoszumową pracę.
Detektor lawinowy o niskim wzmocnieniu pracuje na wyższych długościach fali niż detektory o wyższym wzmocnieniu. Detektory o niskim wzmocnieniu charakteryzują się dużym wzmocnieniem sygnału, niskim współczynnikiem szumu nadmiarowego i szybką odpowiedzią. Ponadto, detektor HARP osiąga niezależne od głębokości wzmocnienie sygnału dzięki zastosowaniu oddzielnych regionów wzmocnienia i oddziaływania.
Symulowany układ detektora naśladuje typowy układ detektora teleskopowego. Zawiera on system śledzenia przed kalorymetrem i ma 10 warstw SiMS. Sam czujnik ma grubość 300 mm i powierzchnię 9,6 cm kwadratowych. Czujniki są połączone w szereg obwodów, z cyfrówkami o czterech częstotliwościach próbkowania i szerokości pasma jednego GHz.
Technologia LGAD umożliwia również śledzenie 5D z wykorzystaniem detektorów SiMS. Ten typ detektora oferuje zmniejszony jitter, wysoką jednorodność prędkości dryfu i niski szum Landaua. Jednak ograniczona grubość detektorów Si zmniejsza wydajność sygnału i SNR. W przeciwieństwie do tego, układ LGAD posiada warstwę wewnętrznego „Gain”, która zwiększa wydajność sygnału i odzyskuje straty SNR w cienkich czujnikach Si.
Krzemowy detektor lawinowy koincydencyjny 3D
Jednofotonowe diody lawinowe były detektorem z wyboru dla sub-nanosekundowych pomiarów czasu, dzięki ich doskonałej czułości jednofotonowej i możliwości znakowania czasu. Przełomowa implementacja SPAD w technologii CMOS doprowadziła do opracowania dużych cyfrowych detektorów SPAD, które mogły być produkowane masowo po stosunkowo niedrogich cenach. Powstała pierwsza zintegrowana matryca SPAD, a następnie wiele innych architektur. Wczesne implementacje opierały się wyłącznie na przetwarzaniu danych poza układem scalonym, ale późniejsze architektury obejmowały również znakowanie czasem na poziomie pikseli.
Afterpulsing i przesłuch są dwiema częstymi przyczynami fałszywej detekcji w fotodiodach lawinowych. Pierwsza z nich występuje, gdy APD nie reaguje, powodując nasycenie zliczania przy wysokich strumieniach optycznych. Druga występuje z powodu przesłuchu, w którym pośredniczy emisja światła gorących nośników. Kwestie te są omówione w rozdziale 4. W tej sekcji przedstawiono przegląd niektórych powszechnych problemów związanych z tym typem detektora.
Najważniejszymi parametrami dla SPADów są prawdopodobieństwo detekcji fotonów oraz współczynnik zliczeń ciemnych. Ten pierwszy mierzy prawdopodobieństwo lawiny przy braku światła i może sięgać 70%. Ten drugi jest ważnym parametrem, ponieważ określa, czy lawina jest prawdopodobna. Co więcej, dark count rate to szybkość detekcji lawin w ciemności. Co więcej, afterpulsing wprowadza fałszywe zdarzenia, które są skorelowane z poprzednimi detekcjami. Wreszcie, imagery muszą uwzględniać przesłuch optyczny i elektryczny.
Trójwymiarowe krzemowe koincydencyjne detektory lawinowe są doskonałym sposobem rozróżniania zdarzeń z udziałem cząstek naładowanych. Urządzenia te mogą być wytwarzane w technologii CMOS z wykorzystaniem techniki integracji 3D flip-chip.
Tablice GMAPD
Tablice GMAPD mają wiele zalet. Po pierwsze, mogą działać jako zwinne odbiorniki komunikacji laserowej poprzez rozłożenie strumienia lasera na większą liczbę pikseli. Umożliwia to stworzenie optycznych łączy komunikacyjnych o wysokiej prędkości transmisji danych w wolnej przestrzeni. Na przykład, ostatnia demonstracja w Lawrence Berkeley National Laboratory pokazała, że optyczne łącze danych do Marsa może być osiągnięte przy użyciu formatu modulowanego pozycją impulsu (PPM) z kodowaniem korekcji błędów i 0,5 fotonów na bit.
Wśród wielu zalet matryc GMAPD jest możliwość dostosowania grubości pikseli i znakowania czasowego detekcji fotonów. Z kolei monolityczne CMOS APD mają ograniczony współczynnik wypełnienia i nie można ich dostosować do profili domieszkowania fotodiod. Z tego powodu nie można ich dostosować pod względem grubości warstwy i skuteczności detekcji fotonów.
Jednofotonowe diody lawinowe (SPAD) od dawna są detektorem z wyboru dla głębokich sub-nanosekundowych wydajności czasowych ze względu na ich wyjątkowe możliwości detekcji pojedynczych fotonów i oznaczania czasu. Przełomowa implementacja SPAD w technologii CMOS umożliwiła rozwój wielkoskalowych cyfrowych urządzeń obrazujących przeznaczonych do produkcji seryjnej. Wkrótce potem pojawiły się zintegrowane tablice SPAD. Rozwój zintegrowanych matryc SPAD doprowadził do powstania wielu różnych architektur. Wczesne implementacje opierały się głównie na przetwarzaniu danych poza układem scalonym, podczas gdy późniejsze wersje posiadały również znaczniki czasu na poziomie pikseli.
Detektory lawinowe opracowane w Laboratorium Lincolna zostały zaadaptowane do pracy jako czujniki obrazu zliczające fotony przy użyciu specjalnie skonstruowanych tablic GMAPD. Te czujniki obrazu są czułe na fale o długości około 1 mikrona. Oprócz czujników obrazu zliczających fotony, matryce APD posiadają również powłokę antyrefleksyjną.
Praca w szybkim trybie bramkowanym
Detektor lawinowy pracuje w trybie bramkowanym, jeśli może pracować powyżej napięcia przebicia. W tym trybie wytwarzane są dyskretne impulsy elektryczne w odpowiedzi na pojedyncze fotony. Tryb ten może być wykorzystywany w wielu zastosowaniach, w tym w obrazowaniu rentgenowskim, mikroskopii fluorescencyjnej i skanowaniu PET. Detektor lawinowy jest również przydatny w wykrywaniu nośników generowanych termicznie.
Akwizycje w trybie bramkowym wykorzystują tę samą pierwszą bramkę co pomiary bez bramkowe. Liczba opóźnień bramki powinna być jak najmniejsza, aby zrekonstruować pełny TPSF. Proces ten można uczynić bardziej wydajnym poprzez zastosowanie wielu SPAD-ów o różnych opóźnieniach.
Częstotliwość fotonów docierających do detektora wpływa na skuteczność detekcji. Częstotliwość fotonu może być zmieniana poprzez kontrolę napięcia przyłożonego do APD. Technika bramkowania wykorzystująca samorozróżnialność może zmniejszyć czas martwy do około 20 ns. Technika ta minimalizuje również prawdopodobieństwo wystąpienia afterpulsingu i umożliwia powtarzanie bramkowania z częstotliwością 200 MHz. Dzięki tej metodzie otrzymujemy szybki tryb bramkowany, którego efektywność detekcji wynosi około 10%.
Detektory lawinowe mają tę zaletę, że są bardzo czułe na niskie promieniowanie. Mogą też wykryć pojedynczy foton i wytworzyć impuls elektryczny. Impuls ten może wyzwolić element logiczny. Detektory te oparte są na technologii CMOS i mogą być wykonywane w wielkoformatowych matrycach. Technologia ta jest szeroko stosowana w aplikacjach naukowych, a obecnie znajduje zastosowanie w aplikacjach komercyjnych.
Zakres
Detektory lawinowe przeznaczone są do wykrywania i rejestracji lawin z wykorzystaniem widma padających fotonów. Impulsy wyjściowe detektora są następnie zliczane i wykorzystywane do określenia intensywności sygnału wejściowego. Jest to przydatne w wielu zastosowaniach, w tym w obrazowaniu przy słabym oświetleniu, skanowaniu PET i mikroskopii fluorescencyjnej. Detektory te są również wyposażone w obwód odzyskiwania lawiny, który służy do jej wygaszania i przywracania polaryzacji. Zapobiega to sytuacji, w której brakujące zliczenia stają się statystycznie istotne, a szybkość zliczania zaczyna odbiegać od liniowej zależności od poziomu wykrywanego światła.
Działanie detektorów lawinowych w dużym stopniu zależy od ich czułości. Zakres czułości detektora zależy od rodzaju lawiny i poziomu napięcia bias. Niektóre detektory mają napięcie biasowe dochodzące do 1500 V. Te wysokonapięciowe detektory mają wyższy poziom wzmocnienia niż inne i dzięki temu czułość znacznie wzrasta. Wymagają one jednak również dodatkowych obwodów i innych środków ostrożności.
Fotodiody lawinowe są urządzeniami opartymi na półprzewodnikach, które wykorzystują wysokie napięcie wsteczne do przechwycenia przychodzących fotonów i wykorzystania ich jako pierwotnych nośników ładunku. Całkowity prąd upływu składa się z fotoprądu, prądu ciemnego i szumu. Elektroniczny szum ciemny ma kilka rodzajów, w tym szum strzałowy i szum równoległy. Szum szeregowy odnosi się do pojemności APD, natomiast szum równoległy związany jest z oscylacjami w masowych prądach ciemnych.
Fotodiody lawinowe mają wysoki poziom responsywności, ale są mniej niezawodne niż fotodiody PIN. Wymagają też wysokiego napięcia i dlatego nie są wygodne w użyciu.
Koszt detekcji lawinowej
Detektory lawinowe służą do wykrywania lawin. Ich czułość określa się poprzez zliczanie impulsów wyjściowych. Metoda ta jest przydatna w obrazowaniu przy słabym oświetleniu, mikroskopii z czasem życia fluorescencji oraz skanowaniu PET. Detektory lawinowe zawierają również specjalny obwód do gaszenia lawiny i przywracania biasu. Bez obwodu odzyskiwania lawiny fotony wchodzące do detektora nie są zliczane. Gdy tak się dzieje, brakująca liczba staje się statystycznie istotna, a wskaźnik zliczania odbiega od liniowej zależności od poziomu oświetlenia.
Fotodiody lawinowe są w zasadzie diodami p-n pracującymi w trybie Geigera. Złącze p-n fotodiody lawinowej generuje duże pole elektryczne. Ta przyspieszona para elektron-dziura powoduje powstanie dużego impulsu prądowego w ciągu kilku pikosekund. Dzięki temu możliwe jest wykrywanie lawin pojedynczych fotonów.
Transceivery lawinowe są noszone blisko ciała. Emitują one sygnał radiowy, który może być odbierany przez inne transceivery w okolicy. Oznacza to, że towarzysz z transceiverem może przełączyć się na tryb poszukiwawczy i zlokalizować osobę zasypaną w gruzach lawinowych. W niektórych przypadkach sonda lawinowa wskaże dokładne położenie zasypanej osoby. Transceivery lawinowe są dostępne w różnych przedziałach cenowych i o różnych funkcjach.
Fotodiody lawinowe są również przydatne w spektroskopii pojedynczych fotonów. Dla tej techniki fotodiody lawinowe muszą charakteryzować się wysoką sprawnością kwantową w rozszerzonym czerwonym zakresie spektralnym oraz niskimi szumami. Ponadto fotodiody lawinowe mogą być bardzo czułe i wymagają mniejszej ilości elektroniki do wzmacniania sygnałów.
Podobne tematy