Gli sviluppi nella tecnologia di rilevamento dei fotoni hanno portato all’emergere dei fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) come una tecnologia innovativa nello stato solido con diverse applicazioni e vantaggi nella progettazione. I SiPM sono fotorivelatori allo stato solido che utilizzano un array di fotodiodi a valanga (APD) in parallelo per rilevare i fotoni con precisione. Questi sensori offrono elevate prestazioni, tra cui elevata sensibilità, basso rumore e tempi di risposta rapidi.
In questo articolo verranno esplorate le caratteristiche, i vantaggi e le applicazioni della tecnologia SiPM, con particolare riferimento alla gamma di fotomoltiplicatori al silicio offerti da Broadcom.
La tecnologia SiPM
Basati sulla tecnologia dei semiconduttori, i SiPM sono fotorivelatori allo stato solido in grado di rilevare i fotoni con estrema precisione. Questi fotorivelatori sono composti da un array di fotodiodi a valanga (APD), tutti uguali tra loro, che operano in parallelo nella modalità Geiger, quindi al di sopra della tensione di breakdown (VBR) del fotodiodo.
Per valori di tensione superiori a VBR, il campo elettrico nel fotodiodo è sufficientemente alto da far sì che un elettrone iniziale venga accelerato a una velocità così elevata da consentire la ionizzazione di altri elettroni. Un singolo elettrone può così innescare una valanga autosostenuta. Al fine di bloccare la moltiplicazione a valanga e ripristinare il sistema nel suo stato iniziale viene utilizzata una resistenza di quenching Rq (spegnimento) posta in serie al fotodiodo. Dopo alcune decine di nanosecondi, il diodo viene completamente resettato e può rilevare un altro fotone. Questi rivelatori, noti anche come diodi a valanga a singolo fotone (SPAD), consentono di rilevare segnali luminosi molto deboli e convertirli in segnali elettrici misurabili.
Poiché un sensore SiPM è composto da una serie di rivelatori SAPD collegati in parallelo, il segnale risultante corrisponderà alla somma dei singoli impulsi provenienti dalle celle che hanno rivelato un fotone. In Figura 1 è visibile, a destra, la struttura circuitale di un rivelatore SiPM, composto da più fotodiodi in parallelo, ciascuno con una propria resistenza di quenching Rq collegata in serie. Nell’immagine a sinistra è invece visibile la struttura geometrica di un tipico rivelatore e le forme d’onda, singole e risultante, in corrispondenza dei SAPD che hanno rivelato un fotone.
A seconda della sorgente luminosa e dell’applicazione, alcune centinaia o migliaia di SPAD sono collegati in parallelo per formare un SiPM. Ogni SPAD include una resistenza in serie integrata che spegne la valanga e ripristina il diodo per il successivo fotone in arrivo.
Caratteristiche dei rivelatori SiPM
Fino a poco tempo fa, l’unico sistema disponibile per le applicazioni di conteggio dei fotoni a basso livello luminoso era il tubo fotomoltiplicatore (PMT), un dispositivo a tubo a vuoto disponibile introdotto intorno al 1940. A causa della sua vulnerabilità alla luce ambientale, fragilità e ingombro, sensibilità ai campi magnetici e necessità di utilizzare alte tensioni, questo tipo di rivelatore risulta difficile da utilizzare in numerose applicazioni.
I rivelatori SiPM possiedono diverse caratteristiche che li distinguono dai tradizionali tubi fotomoltiplicatori (PMT) e da altri tipi di fotorivelatori, tra cui:
- Elevata risoluzione: i SiPM sono in grado di rilevare singoli fotoni, una caratteristica essenziale in applicazioni come l’ottica quantistica, la fisica delle particelle e l’imaging medico, dove il conteggio preciso dei fotoni è fondamentale;
- Elevata efficienza di rivelazione dei fotoni (PDE): i SiPM possono raggiungere valori di PDE superiori al 50%, superando le prestazioni dei migliori PMT. Comunemente utilizzata per misurare la sensibilità dei rivelatori SiPM, la PDE rappresenta la probabilità che un fotone che impatta su un SiPM venga rilevato o, nel caso di più fotoni impattanti, il rapporto tra i fotoni rilevati dal sensore e i fotoni impattanti. In questo contesto, i fotoni rilevati sono quelli che innescano un breakdown a valanga in uno degli SPAD del SiPM e quindi contribuiscono al segnale elettrico di uscita. Questa elevata efficienza consente di rilevare segnali luminosi di bassa intensità, rendendo i SiPM ideali per le applicazioni che richiedono una sensibilità molto elevata;
- Ampia gamma dinamica: questa proprietà consente ai SiPM di gestire un’ampia gamma di intensità luminose senza entrare in saturazione. Questa versatilità li rende adatti ad applicazioni che prevedono livelli di luce variabili, come gli scanner per la tomografia a emissione di positroni (PET) e la spettrometria a raggi gamma;
- Bassa tensione operativa e basso assorbimento di corrente: a differenza dei PMT, gli SiPM funzionano a tensioni più basse, in genere nell’intervallo compreso tra 20V e 100V. Questa tensione ridotta si traduce in un minor consumo di energia, rendendo i SiPM più efficienti dal punto di vista energetico;
- Elevata risoluzione temporale: grazie al loro rapido tempo di risposta, dell’ordine di qualche nanosecondo, i SiPM consentono misure temporali molto precise. Questa caratteristica è cruciale in applicazioni come la medicina nucleare, la tomografia a emissione di positroni (PET) e negli esperimenti di fisica delle particelle;
- Efficienza nel conteggio dei fotoni: i tradizionali PMT offrono un elevato guadagno ma un’efficienza di conteggio dei fotoni limitata. Grazie alla presenza di microcelle attivabili singolarmente, i SiPM offrono un’efficienza di conteggio dei fotoni significativamente più elevata. Questa proprietà li rende adatti ad applicazioni come la microscopia con imaging del tempo di vita della fluorescenza (FLIM), il conteggio di fotoni singoli correlati nel tempo (TCSPC) e l’ottica quantistica.
Applicazioni
Grazie a queste proprietà, i SiPM trovano applicazioni in diversi settori, tra cui:
- Diagnostica per immagini;
- Fisica delle particelle;
- Astrofisica;
- Fisica nucleare;
- Guida autonoma dei veicoli.
La tecnologia SiPM offre un’alternativa avanzata e versatile ai tradizionali tubi fotomoltiplicatori (PMT) e ad altri tipi di fotorivelatori.
I sensori SiPM di Broadcom
Broadcom dispone di un’ampia gamma di sensori SiPM in grado di offrire le caratteristiche tecniche e soddisfare i requisiti delle applicazioni precedentemente descritti. L’offerta si compone di due famiglie di prodotti:
- NUV SiPM: comprende sensori ottimizzati per il rilevamento dei fotoni nella gamma dell’ultravioletto vicino. Questa tecnologia offre prestazioni senza precedenti in termini di PDE, diafonia e tasso di conteggio in condizioni di scarsa luminosità. Le tipiche applicazioni di questi sensori includono TOF-PET, citometria a flusso, rilevamento di radiazioni e raggi X, conteggio di fotoni a raggi X e trasmissione dati in line of sight;
- NIR SiPM: comprende sensori ottimizzati per il rilevamento dei fotoni nella gamma dell’infrarosso vicino. Questi sensori sono ottimizzato per applicazioni LiDAR, ranging e lifescience in ambito automobilistico e industriale.
In Figura 2 è visibile il sensore SiPM AFBR-S4N44P164M di Broadcom. Si tratta di un sensore NUV-MT con un’area attiva sul die di 4 x 4 mm2 e 164 canali indipendenti. I SiPM NUV-MT offrono un’elevata sensibilità che spazia dalle lunghezze d’onda NUV a quelle rosse dello spettro luminoso, con un PDE senza precedenti pari a 63% a 420 nm.
L’elevato guadagno intrinseco dei SiPM permette di rilevare anche singoli fotoni. Tuttavia, i segnali generati dai sensori SAPD devono essere opportunamente amplificati. In Figura 3 sono visibili i segnali prodotti dal SiPM, corrispondenti al rilevamento di fino a sei fotoni, dopo essere stati processati da un circuito di amplificazione a transimpedenza.
I sensori Broadcom NIR SiPM equipaggiano i LiDAR
L’elevata sensibilità e i tempi di risposta rapidi consentono ai sensori NIR SiPM di Broadcom di eseguire con precisione la misura della distanza (profondità) e il rilevamento degli oggetti. Emettendo e rilevando impulsi laser, i sensori LiDAR basati su SiPM consentono una mappatura 3D accurata e il rilevamento degli oggetti nella guida autonoma e assistita.
I moderni sistemi LiDAR richiedono un ampio campo visivo combinato con un’elevata risoluzione e un rilevamento affidabile degli oggetti a distanze fino a 250 m e oltre. Ciò permette il rilevamento di piccoli oggetti a bassa riflettività posti a grande distanza, anche in condizioni di piena luce solare. Per soddisfare questi requisiti occorrono un’elevata efficienza di rilevamento dei fotoni (PDE) e un’elevata gamma dinamica.
Per i LiDAR automotive, Broadcom ha scelto i rivelatori al silicio, che supportano bene la lunghezza d’onda di 905 nm. La tecnologia NIR SiPM offre prestazioni senza precedenti, combinando un elevato valore di PDE, pari a 18% a 905 nm, con un tempo di ricarica di 10 ns. L’elevata gamma dinamica è ottenuta con una cella di dimensioni ridotte, mentre il basso tasso di conteggio in assenza di illuminazione (DCR), il basso crosstalk e la probabilità di after-pulsing rendono il NIR SiPM di Broadcom un rivelatore ideale per applicazioni LiDAR ad elevate prestazioni.
