Misure di Photon Detection Efficiency con flusso continuo

Il set-up adottato per la misura della Photon Detection Efficiency (PDE), quando la sorgente è un flusso continuo di luce, è costituito da:

• Apparato ottico COLD-INAF;
• Femtoammetro Keithley 6514;
• Unità PSAU CAEN SP5600;
• Contatore in frequenza Tektronix FCA3000;

L'apparato è illustrato in Figura 1.

La radiazione monocromatica, attraverso una lente ottica, viene indirizzata verso una sfera integratrice, che ospita, in una porta, un fotodiodo di riferimento NIST traceable da 1 cm² e, in una seconda porta, il sensore SiPM da caratterizzare. L'intensità del flusso di fotoni che entra nella sfera integratrice può essere regolata mediante filtri neutri o dalla modulazione dell'apertura delle fessure di entrata o di uscita del monocromatore.

 

Figura 1. Apparato per la caratterizzazione ottica dei rivelatori

 

Solo una frazione del numero totale di fotoni che incidono sul rivelatore SiPM in realtà innesca le valanghe e, di conseguenza, un segnale rilevabile. Le ragioni principali per tali inefficienze sono geometriche (regioni inattive tra microcelle), fisiche (riflessione/assorbimento da strati passivi), ed elettriche (conversione del fotone che si verifica dove il campo elettrico non è sufficiente per innescare la valanga).  La Photon Detection Efficiency è una funzione della lunghezza d'onda e della tensione di overvoltage ed è sostanzialmente determinata da:

dove η (λ) è l'efficienza quantica dipendente dalla lunghezza d'onda di silicio, (V_OV) è la probabilità di trigger ovvero la probabilità di generare la valanga di portatori di carica e F è il fattore di riempimento geometrico del dispositivo. L'efficienza quantica del silicio η (λ) è la probabilità di un fotone incidente per generare una coppia elettrone-buca in una regione dove le cariche possono produrre una scarica a valanga. La struttura del SiPM è ottimizzata per avere la massima probabilità per un fotone di essere assorbito da parte del silicio. Il gap di banda del silicio pone un limite superiore a determinate lunghezze d'onda, e riflessi superficiali e profondità di giunzione limitano il rilevamento di fotoni a lunghezze d'onda più basse. La probabilità di rottura per la generazione della valanga (V_OV) rappresenta la probabilità che un portatore nella regione di svuotamento avvia una scarica Geiger (funzione della tensione di polarizzazione, poiché dipende dalla ionizzazione da impatto dei portatori di carica, che dipendono dal campo elettrico). Il fattore geometrico F è definito come il rapporto della superficie attiva totale delle microcelle del SiPM rispetto l'area totale del dispositivo, a causa degli spazi tra i micropixel, ed è determinata esclusivamente dalla topologia del rivelatore. La PDE è comunemente calcolata dalla reattività del rivelatore in termini di fotocorrente media prodotta per unità di potenza ottica. Questo metodo, tuttavia, non tiene conto del contributo dovuto al cross-talk e afterpulsing, pertanto, fornisce una leggera sovrastima della PDE misurata. 

La misura della PDE assoluta dei SiPM è basata sul "metodo del conteggio dei fotoni": il numero di impulsi per unità di tempo in condizioni di luce monocromatica viene confrontato con il livello di luce registrato contemporaneamente da un fotorilevatore NIST di riferimento e per diverse lunghezze d'onda. La Figura 2 e la Figura 3 mostrano due esempi di misure di PDE rispettivamente per due SiPM: Hamamatsu 3 × 3-mm² ed Excelitas 6 × 6-mm² su un ampio spettro di lunghezze d'onda e per differenti condizioni operative.

La PDE inizia a saturare (come osservabile in Fig. 2, dove sono riportate cinque diverse curve PDE in funzione di diversi valori di tensione operativa) quando ci si avvicina al massimo realizzabile. 

                                                                  Figura 2. PDE per un SiPM Hamamatsu 3x3 mm² a cinque valori di tensione operativa                                                                    

   Figura 3.  PDE per un SiPM Excelitas 6x6 mm² a due valori di tensione operativa