Plusieurs paramètres affectent les performances des SiPMs. Parmi ces paramètres, nous pouvons citer :
— La surtension des capteurs (∆V): Il s’agit de la différence de tension entre la tension d’alimentation et la tension de claquage du capteur. Comme le suggère la figure II.27, la tension de claquage est la tension inverse à partir de laquelle le courant inverse commence à évoluer de façon exponentielle. Nous pouvons aussi mesurer la tension de claquage avec la courbe du Gain. En effet, c’est le point de rencontre avec l’axe des x de la courbe du Gain en fonction de la tension d’alimentation du capteur.
— Le Gain (G): Le Gain est le rapport entre la charge totale collectée et la charge d’un électron :
G Q
e (Cµcell+Cparasite) ·∆V
e (115)
Où Cµcell est la capacité de la cellule et Cparasite une capacité parasite. Nous pouvons à travers un oxcilloscope, intégrer sur le temps, le signal du SiPM à travers une résistance pour évaluer la courbe du gain.
G Q
e 1
GAmp·e · 1 R
∫
(V(t) −BL)dt (116) Où R est l’impédance d’entrée de l’oxcilloscope, GAmpson gain de mesure et BL le bruit électronique c’est à dire sans signal.
— La PDE (efficacité de détection des photons): C’ est l’efficacité du capteur à transfor-mer un photon incident en signal électrique et dépend essentiellement de la surface
5. Les capteurs de lumière SiPMs, et leur principe de fonctionnement efficace de collection, de la longueur d’onde et donc de l’énergie du photon incident, de la surtension des capteurs, de la température de fonctionnement, de l’efficacité quantique qui est la probabilité qu’un photon génère une paire électron-trou, de l’efficacité de déclencher qui est la probabilité qu’une paire électron-trou génère une avalanche et enfin de la pureté de la jonction utilisé : tout ceci peut être traduit par la relation117.
PDE(λ,Vbias) εgeo·QE(λ,T) ·εtrigger(λ,Vbias,T) (117) Pour mesurer la PDE, j’ai utilisé le dispositif expérimental présenté sur la figureII.31.
Il est composé :
— d’une sphère d’intégration : permettant de distribuer la lumière entre le cap-teur SiPM et une photodiode calibrée ; le ratio R qui est la différence entre la puissance lumineuse incidente et celle reçue par le SiPM doit être tel que la photodiode ne soit pas saturée ; elle est fonction de la longueur d’onde.
— d’une source de lumière, notamment des LEDs de plusieurs longueurs d’onde.
— picoampèremètres pour la mesure du signal du SiPM et de la photodiode.
— des générateurs de signaux pour l’alimentation des LEDs et du SiPM.
— d’un ordinateur équipé du logiciel LabView pour contrôler et/ou acquérir les données
Figure II.31.Dispositif expérimental pour la mesure de l’efficacité de détection des pho-tons
Soit la puissance otique :
Popt 1 Aphotodiode
Iphotodiode(A)
Rphotodiode(AW˙ −1) (118) Le nombre de photons incidents est donné par :
Ninc−ph(s−1·mm−2) Popt(w·mm−2) Eopt Popt(w·mm−2)
hc λ
(119)
5. Les capteurs de lumière SiPMs, et leur principe de fonctionnement la PDE peut être exprimée par la relation :
PDESIPM
— λest la longueur d’onde de la lumière incidente ,
— cla vitesse de la lumière dans le vide ,
— Aphotodiodel’aire de la photodiode calibrée,
— Iphotodiodele courant mesuré par la photodiode,
— Rphotodiodela réponse de la photodiode,
— T la période du signal envoyé à la LED,
— npela moyenne du nombre total de photo-électrons détectés par le SiPM.
R0.8 est le ratio entre les puissances de deux photodiodes calibrées. L’une placée à une ouverture de la sphère d’intégration, et l’autre à l’endroit où sera mis le SiPM.
L’indice 0.8 renvoie juste au filtre de diametre 0.8 mm placée après la sphère afin de focaliser la lumière sur la surface efficace du SiPM.
La probabilité de détection de photo-électrons obéit à une loi de poisson de paramètre npeexprimée par la relation :
P xλ,npe
nλpe
λ! exp −npe
(121) De la relation (121), nous pouvons écrire que la probabilité d’obtenir 0 p.e. est donnée par : OùNpedest le nombre d’évènements ayant 0 pe etNtotalle nombre total d’évène-ments.
Puisque la statistique est biaisée par les effets de la diaphonie optique et des pulses retardés, le nombre moyen de photo-électrons doit être évalués en tenant compte de mesures effectuées dans le noir ; ainsi, à partir de la même analyse nous obtenons l’équation :
— La diaphonie optique ou optical crosstalk: Le crosstalk est dûe aux photons générés pendant une avalanche et qui peuvent voyager à travers le matériau et aller provoquer une autre avalanche dans une cellule voisine. Elle limite donc les performances du SiPM est doit être la plus basse possible. La mesure de crosstalk se fait dans le noir. Pour évaluer la probabilité de crosstalk, nous varions la valeur du seuil de déclenchement et l’appliquons au signal du SiPM. Nous mesurons à chaque fois la
5. Les capteurs de lumière SiPMs, et leur principe de fonctionnement fréquence et le crosstalk est le rapport entre la fréquence à 1.5 pe et la fréquence à 0.5 pe.
Figure II.32.Exemple de fréquence obtenu à partir d’un scan sur le seuil de déclenchement [60].
— Le bruit thermique ou dark count rate (DCR) : Ce bruit est due aux électrons qui peuvent par effet thermique acquérir suffisamment d’énergie et par effet tunnel traverser la barrière de potentiel et générer une avalanche.
— Le pulse retardé ou afterpulse : Durant une avalanche, des charges peuvent être piégées puis libérées quelques temps après en provoquant une autre avalanche dans la même cellule. La charge piégée se libère plus loin dans la zone de déplétion ce qui produit un signal inférieur au signal initial.