Zaawansowane sensory optoelektroniczne. APD, SiPM i PMT w praktyce konstruktora

inż. Przemysław Musz

29 kwietnia 2026

W świecie fotoniki „zwykła” fotodioda (PD) bywa zaskakująco skuteczna, ale istnieją liczne obszary, w których jej ograniczenia natychmiast natychmiast wychodzą na jaw. Jeżeli sygnał jest bardzo słaby, wymagania w zakresie rozdzielczości czasowej przekraczają możliwości typowych PD, a budżet szumów ma domknąć się na pojedynczych fotonach, konstruktor powinien zacząć poważnie rozważać zastosowanie bardziej zaawansowanych, nieco mniej popularnych fotodetektorów. Wtedy na stół trafiają sensory zapewniające wewnętrzne wzmocnienie: fotodiody lawinowe (APD), krzemowe fotopowielacze (SiPM/MPPC) oraz klasyczne, lampowe fotopowielacze próżniowe (PMT). Wszystkie trzy rodziny komponentów potrafią dać z siebie znacznie więcej niż nawet dobrej klasy fotodioda PIN z wysokiej jakości front-endem analogowym – ale każda z nich zawdzięcza to innemu mechanizmowi działania. I każda stawia konstruktorowi inne warunki brzegowe: stabilność napięcia polaryzacji, wrażliwość na temperaturę, sposób kształtowania impulsów, liniowość, podatność na zakłócenia czy też wymagania mechaniczne i optyczne.

Naszą podróż w świat nowoczesnej optoelektroniki zaczniemy od fizyki działania detektorów APD, SiPM i PMT, a potem wspólnie przejdziemy przez aspekty praktyczne: parametry spektralne i elektryczne oraz aspekty implementacji układowej. Dla pełniejszego obrazu wskażemy także najczęstsze pułapki czyhające na inżynierów, a także główne obszary aplikacyjne wraz z uzasadnieniem, dlaczego w danym przypadku jedna technologia zwykle wygrywa z pozostałymi już w przedbiegach.

Podstawy fizyczne

Fotodiody lawinowe

Sposób działania oraz układy pracy klasycznych fotodiod krzemowych (a także szybszych diod typu PIN) są z grubsza znane chyba każdemu konstruktorowi. Fotodiodę lawinową (ang. Avalanche PhotoDiode, APD) można rozpatrywać jako fotodiodę pracującą przy wysokiej polaryzacji zaporowej, która oprócz „klasycznego” generowania par elektron–dziura potrafi w dodatku owe nośniki zwielokrotnić (rysunek 1).

Rysunek 1. Schemat ilustrujący działanie fotodiody lawinowej [1]

Sam proces generacji prądu fotoelektrycznego jest bowiem identyczny jak w typowej, niedrogiej fotodiodzie: fotony o energii większej od przerwy energetycznej wytwarzają pary elektron–dziura, a liczba tak wytworzonych par nośników, w odniesieniu do liczby padających na strukturę fotonów, jest opisywana przez sprawność kwantową (ang. Quantum Efficiency, QE). Różnica polega na tym, że APD realizuje dodatkowo funkcję zwiększania liczby wygenerowanych nośników na drodze zjawiska przypominającego nieco... reakcję łańcuchową znaną z fizyki nuklearnej.

Mnożenie lawinowe zachodzi w warstwie zubożonej złącza, gdzie w obecności pola elektrycznego o odpowiednio wysokim natężeniu (de facto – wytworzonym przez stosownie wysokie napięcie w kierunku zaporowym) nośniki przyspieszają na tyle, że podczas zderzeń z siecią krystaliczną powodują tzw. jonizację zderzeniową. W ten sposób tworzą one kolejne pary elektron–dziura, a te mogą być zdolne do powtórzenia efektu w pobliskich obszarach kryształu. Zjawisko przebiega zatem dość podobnie do reakcji łańcuchowej. Literatura nazywa je wprost „avalanche multiplication”, czyli właśnie mianem wspomnianego wcześniej „mnożenia lawinowego”. Dla konstruktora najważniejsza informacja jest następująca: wzmocnienie APD nie jest stałą cechą elementu, tylko zmienną zależną od napięcia (rysunek 2), a także i temperatury (rysunek 3) – a więc od parametrów polaryzacji oraz warunków środowiskowych.

Rysunek 2. Zależność wzmocnienia fotodiody lawinowej typu S12023-05 firmy Hamamatsu od napięcia zaporowego [1]

Rysunek 3. Zależność wzmocnienia fotodiody lawinowej typu S12023-05 firmy Hamamatsu od temperatury złącza jako parametru (na osi poziomej – napięcie polaryzacji) [1]

Fotopowielacze krzemowe SiPM/MPPC

Macierz mikropikseli pracująca w trybie Geigera, określana skrótowo jako SiPM, czyli – dosłownie – krzemowy fotopowielacz (ang. Silicon PhotoMultiplier, w materiałach firmy Hamamatsu często nazywany także MPPC – Multi-Pixel Photon Counter) realizuje wzmocnienie inaczej. Zamiast jednego większego złącza lawinowego mamy tu gęstą macierz mikropikseli (rysunek 4), z których każdy pracuje w trybie Geigera – tj. o kilka woltów powyżej napięcia przebicia.

Rysunek 4. Widok fotodetektora typu SiPM [2]

Co ciekawe, każda z komórek tak utworzonej macierzy jest zbudowana w oparciu o miniaturową fotodiodę lawinową, o czym warto pamiętać, gdyż fakt ten nie wynika wprost z nazwy detektora SiPM/MPPC. Przy wysokim napięciu polaryzacji w kierunku zaporowym efekt lawinowy generuje impuls o określonej amplitudzie, właściwej dla danego rodzaju detektora i – co ważne – niezależnej od tego, czy do piksela wpadł jeden foton, czy też kilka lub kilkanaście naraz. Każdy piksel generuje zatem impuls o tej samej amplitudzie przy detekcji przynajmniej jednego fotonu, zaś jeśli w tej samej chwili zadziała kilka pikseli, impulsy z całej macierzy zsumują się i amplituda wynikowego piku wzrośnie proporcjonalnie do liczby aktywowanych pikseli (rysunek 5).

Rysunek 5. Superpozycja dwóch impulsów rejestrowanych przez jednocześnie aktywowane piksele detektora SiPM, w porównaniu z odpowiedzią dla pojedynczego zdarzenia [2]

Taki tryb pracy od razu tłumaczy nie tylko pochodzenie skrótu MPPC, ale także dwa typowe zachowania tych detektorów, które w projektach potrafią nieźle zaskoczyć. Po pierwsze, aby zachować liniowość względem liczby fotonów, trzeba dobrać liczbę pikseli tak, aby „nie zabrakło” ich przy spodziewanym strumieniu światła – inaczej wiele fotonów zacznie trafiać w te same piksele i sygnał przestanie rosnąć proporcjonalnie, co w oczywisty sposób będzie prowadziło do artefaktów, których niestety nie sposób odzyskać na drodze dalszego przetwarzania sygnałów – czy to analogowo, czy też w domenie cyfrowej. Rzecz jasna, znaczenie ma także geometria (szerokość/średnica) mierzonej wiązki światła, czyli np. to, czy pracujemy ze światłem rozproszonym, czy też w jakiś sposób zogniskowanym. W sprzedaży są dostępne fotopowielacze krzemowe o mocno zróżnicowanych parametrach, przez co dobór rozwiązania do konkretnej aplikacji jest nieco prostszy niż przed laty, gdy nazwa „fotopowielacz” była zarezerwowana dla drogich, ciężkich i delikatnych urządzeń lampowych. Po drugie, sygnał generowany przez SiPM jest z natury skwantowany (podobnie, jak samo światło w myśl teorii korpuskularnej), czyli przyjmuje poziomy określane jako 1 p.e., 2 p.e. itd. (ang. photo electron), co można wykorzystać w zliczaniu fotonów lub diagnostyce punktu pracy.

Tryb Geigera wymaga jednak mechanizmu wygaszania impulsów, aby piksel mógł zareagować na kolejny foton – w przeciwnym wypadku nastąpiłoby niejako „zatrzaśnięcie” (ang. fired) piksela, gdyż prąd zaporowy podtrzymywałby się samoistnie aż do momentu, w którym napięcie polaryzacji złącza spadłoby poniżej wartości umożliwiającej kontynuację lawiny. Najczęściej realizuje się to w banalnie prosty sposób – poprzez wzbogacenie każdego piksela o specjalny, miniaturowy rezystor gaszący (ang. quenching resistor), połączony w szeregu ze strukturą APD (rysunek 6).

Rysunek 6. Rezystory gaszące w strukturze detektora SiPM [2]

Cały artykuł przeczytasz w magazynie Elektronika Praktyczna

3/2026

Kup magazyn

Firma:

Tagi: Optoelektronika

AUTOR

inż. Przemysław Musz

NAPISZ DO AUTORA

ZOBACZ WIĘCEJ ARTYKUŁÓW AUTORA

Źródło

Elektronika Praktyczna marzec 2026

Udostępnij

Facebook

Twitter

Zobacz wszystkie quizy

Quiz weekendowy

Theremin

Oceń najnowsze wydanie EdW

Wypełnij ankietę i odbierz prezent

Czytelnia kategorie

Felietony AI-Sztuczna Inteligencja Aparatura Arduino Artykuły Audio Automatyka Ciekawostki CNC DIY Druk 3d Elektromechanika Fotowoltaika FPGA-CPLD-SPLD GPS IC-układy scalone Interfejsy IoT Konkursy

Książki

Lasery LED/LCD/OLED

Mechatronika

Mikrokontrolery (MCV,μC) Moc Moduły Narzędzia Optoelektronika PCB/Montaż Podstawy elektroniki Podzespoły bierne Półprzewodniki Pomiary i testy Porady Projektowanie Raspberry Pi Retro Komunikacja, RF Robotyka SBC-SIP-SoC-CoM Sensory Silniki i serwo Software Sterowanie Transformatory Tranzystory Wyświetlacze

Wywiady

Wzmacniacze Zasilanie Felietony

W tym numerze znajdziesz źródłową wersję artykułu publikowanego obok

Elektronika Praktyczna

marzec 2026