Un fotodiodo a valanga (Avalanche Photo Diode APD), schematizzato in figura 1, è un particolare fotodiodo caratterizzato da quattro strati di semiconduttore drogati asimmetricamente. 1. La zona p+, molto drogata, con Na1 accettori (accettori/ μm3 > 105); 2. La zona i(p−), intrinseca, utile a tenere pressochè costante il campo elettrico, a migliorare l’efficienza quantica QE (numero di cariche elettriche rilasciate per ciascun quanto di luce assorbito) e a diminuire la capacità di giunzione; 3. La zona p, drogata con Na2 accettori (con Na1 < Na2); 4. La zona n+, caratterizzata dalla presenza di molti atomi Nd donatori (donatori/μm3 > 105)

L’occhio può essere considerato come il primo rivelatore di radiazione luminosa, captando luce dall’ambiente esterno e trasformando questo input in un segnale elettrico che funge da impulso nervoso per il cervello. In base all’essere vivente preso in considerazione la sensibilità di questo organo e la risposta allo stimolo luminoso variano notevolmente. Con lo sviluppo della fisica è comparsa l’esigenza di strumenti che fossero in grado di rilevare la radiazione luminosa, talvolta anche sotto forma di pochi fotoni (non sempre così facilmente osservabili dall’occhio umano). Un esempio significativo riguardo questa necessità nello sviluppo fisico risale allo sfintariscopio di Crooks (1903), uno schermo di Solfuro di Zinco che colpito da particelle α emette una debole luce. Inizialmente l’osservazione era effettuata ad occhio, contando le scintille emesse osservando il fenomeno con un microscopio in una stanza buia. Nel 1944 Curran e Baker sostituirono l’occhio umano con un fotomoltiplicatore (PM) in modo da rendere la lettura più facile e con un’affidabilità definita. Questo strumento è in grado di convertire un segnale luminoso in un segnale elettrico. L’amplificazione è proporzionale al segnale in ingresso.

I Silicon Photomultiplier sono tra i più avanzati sistemi esistenti nel campo della rivelazione di singolo fotone: presentano dimensioni e costo contenute, hanno un’elevata sensibilità e sono immuni ai campi magnetici (al contrario di molti altri sensori simili), ma hanno anche un rumore elettronico non trascurabile, dovuto a fenomeni quali il Dark Count e l’Optical Crosstalk. Mediante la loro quanticazione è possibile caratterizzare tali sensori: in questa relazione presentiamo alcuni metodi utilizzabili a tale scopo, tra cui un conteggio all’oscilloscopio, una Staircase Analysys e un’analisi di istogrammi di frequenze, basata su dati raccolti digitalmente. E’ inoltre possibile studiare l’andamento di alcune grandezze tipiche degli spettri luminosi, all’oscilloscopio o con istogrammi di frequenze, per individuare il breakdown voltage del rivelatore e i suoi parametri di assetto ottimale. Inne dimostreremo analiticamente la natura poissoniana delle statistiche sottostanti all’emissione di fotoni da parte della sorgente luminosa utilizzata (LED) e al fenomeno di Dark Count.