En electrónica de estado sólido , los fotomultiplicadores de silicio ( SiPM ) son dispositivos sensibles a un solo fotón basados en diodos de avalancha de fotón único (SPAD) implementados sobre un sustrato de silicio común . [1] La dimensión de cada SPAD puede variar de 10 a 100 micrómetros , con una densidad de hasta 10.000 por milímetro cuadrado. Cada SPAD en un SiPM opera en modo Geiger y está acoplado a los demás mediante una resistencia de enfriamiento de metal o polisilicio . Aunque el dispositivo funciona en modo digital/de conmutación, la mayoría de los SiPM son dispositivos analógicos porque las microcélulas se leen en paralelo, lo que permite generar señales con un rango dinámico desde un solo fotón hasta 1000 fotones para un dispositivo con solo un área de un milímetro cuadrado. . Se utilizan esquemas de lectura más avanzados para aplicaciones lidar . [2] El voltaje de suministro ( V b ) depende de la tecnología APD utilizada y generalmente varía entre 20 V y 100 V, por lo que es de 15 a 75 veces menor que el voltaje requerido para el funcionamiento tradicional del tubo fotomultiplicador (PMT).
Especificaciones típicas de un SiPM:
Los SiPM para imágenes médicas son candidatos atractivos para reemplazar los PMT convencionales en tomografía por emisión de positrones (PET) y SPECT , ya que proporcionan alta ganancia con bajo voltaje y respuesta rápida, son muy compactos y compatibles con configuraciones de resonancia magnética . Sin embargo, todavía quedan varios desafíos; por ejemplo, SiPM requiere optimización para matrices más grandes, amplificación de señales y digitalización.
En comparación con los PMT convencionales , la ganancia de fotoelectrones en los SiPM suele ser más determinista, lo que da como resultado un factor de exceso de ruido bajo o incluso insignificante . Como resultado, la SNR ( relación señal-ruido ) para un número fijo de fotones detectados puede ser mayor que la de un PMT. Por el contrario, la ganancia estocástica de un PMT normalmente requiere más fotones detectados para obtener la misma SNR.
La producción en masa de componentes electrónicos de silicio por parte de múltiples proveedores permite que los SiPM se fabriquen a precios muy económicos en comparación con los tubos de vacío.
Los voltajes de polarización son entre 10 y 100 veces más bajos, lo que simplifica la electrónica.
Desde el rojo hasta el infrarrojo cercano, el silicio permite una eficiencia cuántica mucho mayor que los materiales de fotocátodo PMT disponibles.
El rango dinámico puede ser órdenes de magnitud mayor que un PMT si se colocan juntos una gran cantidad de SPAD, lo que permite velocidades de imagen más rápidas o una SNR más alta sin saturación.
La corriente oscura suele ser mucho más alta a una temperatura determinada que un PMT. Por lo tanto, un SiPM puede requerir refrigeración subambiental, mientras que un PMT utilizado en la misma aplicación puede no hacerlo, lo que genera una mayor complejidad y costo. De manera similar, obtener grandes áreas activas puede resultar difícil debido a mayores recuentos de oscuridad por área que en los PMT.
La respuesta al impulso de un SiPM tiene una forma compleja y multiexponencial. En relación con un PMT, obtener una forma de pulso simétrica o una respuesta de frecuencia uniforme puede requerir un filtrado analógico o una electrónica de configuración de pulso más compleja.
Los fotodiodos de avalancha (APD) convencionales también producen una corriente analógica amplificada en respuesta a la absorción de luz. Sin embargo, en un APD, la ganancia total es mucho menor y el factor de exceso de ruido mucho mayor. Por el contrario, la eficiencia cuántica puede ser mayor y el ruido oscuro menor.