Avalanche Detektoren

Der korrekte Nachweis einzelner Elektronen, die durch einzelne optische Photonen aus einem Ionisierungsprozess in Silizium entstehen, ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Die besten On-Chip-Verstärker auf dem neuesten Stand der Technik sind auf einen Rauschbeitrag von etwa einem Elektron (rms) begrenzt. Dies ist nur in Schaltungen mit sehr hoher Verstärkung (geringe Kapazität) und mit langsamer Signalverarbeitung möglich. Beide Bedingungen sind in vielen Fällen nicht gegeben. Um einzelne Elektron eindeutig vom Rauschen zu trennen, ist eine äquivalente Rauschladung (ENC) von mindestens 0,3 Elektronen (rms) erforderlich. Dies wird mit herkömmlichen Verstärkerbauelementen wie JFETs oder MOSFETs bei weitem noch nicht erreicht.

Die Avalanche-Verstärkungsdetektion beruht auf einem völlig anderen Prinzip. Bei sehr hohen elektrischen Feldern (über 200 kV pro Zentimeter) erhalten freie Ladungsträger genug Energie, um Elektron-Loch-Paare zu erzeugen, die wiederum weitere Ladungsträger erzeugen können. Bei moderaten Feldern tragen nur Elektronen zu diesem Prozess bei, was zu einem Signal führt, das proportional zur Anzahl der ursprünglichen Elektronen ist. Die Verstärkungsfaktoren reichen bis zu 1.000 (linearer oder proportionaler Modus). Bei höheren Feldern können auch Löcher zu diesem Avalanche-Prozess beitragen. Da die Löcher im Vergleich zu den Elektronen rückwärts driften, setzt sich der Prozess fort, bis er durch einen Zusammenbruch der externen Spannung beendet wird (Geiger-Modus). Die Reaktion ist im Wesentlichen binär, und die freigesetzte Ladung entspricht der in der Kapazität der Avalanche-Struktur gespeicherten Ladung (105-107 Elektronen).

Beide Prozesse sind sehr schnell und können im Subnanosekundenbereich getaktet werden. Im Proportionalmodus muss ein rauscharmer Verstärker an den Avalanche-Anschluss gekoppelt werden, während im Geiger-Modus das Signal bereits stabil genug ist, um über einige Zentimeter Kabel übertragen zu werden. Da die Antwort einer einzelnen Zelle im Geiger-Modus binär ist, können keine Informationen über die Anzahl der ursprünglichen Elektronen (oder Photonen) extrahiert werden. Dies lässt sich durch Unterteilung des Bauelements in viele unabhängige Zellen umgehen. Wenn die Photonenrate pro Zelle kleiner als eins ist, ist das Signal einer solchen Anordnung proportional zur Anzahl der auftreffenden Photonen ("Silizium-Photomultiplier", SiPM).

Das MPG HLL hat mehrere Konzepte entwickelt, die auf den Avalanche-Strukturen basieren

1. Avalanche-Drift-Diode
2. SiMPl-Konzept
3. MARTHA-Konzept