Работа кремниевых фотоэлектронных умножителей со структурой p+–p–n+ в режиме одноквантовой регистрации

The conditions for realizing the single-quantum detection mode for silicon photomultiplier tubes with the p+–p–n+ structure are studied and data on their characteristics in this mode are obtained. The structure of the experimental setup and the research technique are presented. Measurements of the counting characteristics of the photodetectors, such as the dependences of the counting rate of single-photon pulses, the speed of dark pulses, and the signal-to-noise ratio, have been performed. The dependences of the counting rate of one-photon pulses on the intensity of optical radiation recorded by a silicon photomultiplier tube are presented. It was found that these dependences had a linear section, the length of which increased with increasing overvoltage of silicon photomultiplier tubes. Also, with an increase in overvoltage, the angle of inclination of the linear section increased. The dependences of the count rate of one-photon and dark pulses, as well as the signal-to-noise ratio on overvoltage, are given. It was found that the counting rate of dark pulses increased with increasing overvoltage. It was found that the dependence of the signal-to-noise ratio on the overvoltage for these silicon photomultiplier tubes has a maximum. To obtain the maximum sensitivity of the studied silicon photomultiplier tubes, it is necessary to select the overvoltage corresponding to this maximum. As a result of comparing the sensitivity of the investigated silicon photomultiplier tubes and avalanche photodiodes, it was found that silicon photomultiplier tubes operating in the single-quantum detection mode have a higher sensitivity compared to avalanche photodiodes in the same operating mode. With a decrease in temperature, this superiority persisted. Also, a decrease in temperature led to a decrease in the minimum value of the intensity of the recorded optical radiation. Thus, the possibility of operation of silicon photomultiplier tubes in the single-quantum registration mode has been proved. These results can be applied in quantum cryptography systems when receiving an optical signal.Изучены условия реализации режима одноквантовой регистрации для кремниевых фотоэлектронных умножителей со структурой p+–p–n+ и получены данные об их характеристиках в этом режиме. Приведены структура экспериментальной установки и методика исследований. Выполнены измерения счетных характеристик фотоприемников, таких как зависимости скорости счета однофотонных импульсов, скорости темновых импульсов и отношения сигнал/шум. Представлены зависимости скорости счета однофотонных импульсов от интенсивности оптического излучения, регистрируемого кремниевым фотоэлектронным умножителем. Установлено, что данные зависимости имеют линейный участок, длина которого увеличивается с ростом перенапряжения кремниевых фотоэлектронных умножителей. Также с ростом перенапряжения увеличивается угол наклона линейного участка. Приведены зависимости скорости счета однофотонных и темновых импульсов, а также отношения сигнал/шум от перенапряжения. Получено, что скорость счета темновых импульсов возрастает с увеличением перенапряжения. Установлено, что зависимость отношения сигнал/шум от перенапряжения для этих кремниевых фотоэлектронных умножителей имеет максимум. Для получения максимальной чувствительности исследованных кремниевых фотоэлектронных умножителей необходимо выбирать перенапряжение, соответствующее этому максимуму. В результате сравнения чувствительности исследуемых кремниевых фотоэлектронных умножителей и лавинных фотодиодов установлено, что кремниевые фотоэлектронные умножители, работающие в режиме одноквантовой регистрации, имеют более высокую чувствительность по сравнению с лавинными фотодиодами в этом же режиме работы. С уменьшением температуры данное превосходство сохраняется. Также понижение температуры приводит к уменьшению минимального значения интенсивности регистрируемого оптического излучения. Тем самым доказана возможность работы кремниевых фотоэлектронных умножителей в режиме одноквантовой регистрации. Данные результаты могут применяться в системах квантовой криптографии при приеме оптического сигнала

Electrical Insulation Weaknesses in Wide Bandgap Devices

The power electronics research community is balancing on the edge of a game-changing technological innovation: as traditionally silicon (Si) based power semiconductors approach their material limitations, next-generation wide bandgap (WBG) power semiconductors are poised to overtake them. Promising WBG materials are silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), diamond (C), gallium oxide (Ga2O3) and aluminum nitride (AlN). They can operate at higher voltages, temperatures, and switching frequencies with greater efficiencies compared to existing Si, in power electronics. These characteristics can reduce energy consumption, which is critical for national economic, health, and security interests. However, increased voltage blocking capability and trend toward more compact packaging technology for high-power density WBG devices can enhance the local electric field that may become large enough to raise partial discharges (PDs) within the module. High activity of PDs damages the insulating silicone gel, lead to electrical insulation failure and reduce the reliability of the module. Among WBG devices, electrical insulation weaknesses in WBG-based Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) have been more investigated. The chapter deals with (a) current standards for evaluation of the insulation systems of power electronics modules, (b) simulation and modeling of the electric field stress inside modules, (c) diagnostic tests on modules, and (d) PD control methods in modules

Towards Optical Partial Discharge Detection with Micro Silicon Photomultipliers

Optical detection is reliable in intrinsically characterizing partial discharges (PDs). Because of the great volume and high-level power supply of the optical devices that can satisfy the requirements in photosensitivity, optical PD detection can merely be used in laboratory studies. To promote the practical application of the optical approach in an actual power apparatus, a silicon photomultiplier (SiPM)-based PD sensor is introduced in this paper, and its basic properties, which include the sensitivity, pulse resolution, correlation with PD severity, and electromagnetic (EM) interference immunity, are experimentally evaluated. The stochastic phase-resolved PD pattern (PRPD) for three typical insulation defects are obtained by SiPM PD detector and are compared with those obtained using a high-frequency current transformer (HFCT) and a vacuum photomultiplier tube (PMT). Because of its good performances in the above aspects and its additional advantages, such as the small size, low power supply, and low cost, SiPM offers great potential in practical optical PD monitoring