Rechner für SiPM-Photonendetektionseffizienz

Über die Photonendetektionseffizienz von SiPMs

Ein Silizium-Photomultiplier, kurz SiPM, ist eine Anordnung von Lawinenphotodioden-Mikrozellen, die oberhalb der Durchbruchspannung im Geiger-Modus betrieben werden. Ein im aktiven Bereich absorbiertes Photon kann ein Elektron-Loch-Paar erzeugen und damit eine selbsterhaltende Lawine auslösen. Jede ausgelöste Mikrozelle erzeugt einen messbaren Puls. Die gesamte Anordnung kann bei praktikablen Spannungen sehr schwaches Licht detektieren. Die Photonendetektionseffizienz, meist PDE abgekürzt, beschreibt die Wahrscheinlichkeit, dass ein einfallendes Photon eine registrierte Lawine erzeugt. PDE ist nicht mit Quanteneffizienz gleichzusetzen. Quanteneffizienz beschreibt die Wahrscheinlichkeit, dass Silizium ein Photon absorbiert und einen nutzbaren Ladungsträger erzeugt. Die Lawinenauslösewahrscheinlichkeit beschreibt, ob dieser Ladungsträger eine Geiger-Entladung startet. Der geometrische Füllfaktor berücksichtigt inaktive Strukturen zwischen den Mikrozellen. Ihr Produkt liefert zusammen mit weiteren bekannten Sammlungseffekten eine Abschätzung der Detektor-PDE. Dieser Rechner verwendet eine glatte, repräsentative Silizium-Wellenlängenantwort mit Zentrum nahe 550 nm, ein exponentielles Auslösemodell auf Basis der Überspannung, den eingegebenen Füllfaktor und eine moderate Temperaturkorrektur. Es handelt sich um ein technisches Modell, nicht um einen Ersatz für die gemessene PDE-Kurve des Herstellers. Die Überspannung ist die Vorspannung abzüglich der Durchbruchspannung. Ihre Erhöhung steigert gewöhnlich Lawinenwahrscheinlichkeit, Verstärkung, Übersprechen, Nachpulse und Dunkelrauschen. Der Rechner verlangt eine positive Überspannung und gibt die modellierte Auslösewahrscheinlichkeit aus. Auch die Durchbruchspannung selbst ändert sich mit der Temperatur. Im Labor sollte daher der bei Betriebstemperatur gemessene oder spezifizierte Wert verwendet werden. Der einfache Temperaturfaktor dieses Modells nähert lediglich die Empfindlichkeitsdrift an und ersetzt keine bauteilspezifischen Kompensationskoeffizienten. Die Dunkelzählrate erfasst Lawinen ohne einfallende Signalphotonen. Die thermische Ladungsträgererzeugung macht sie stark temperaturabhängig; häufig verdoppelt sie sich ungefähr über ein charakteristisches Temperaturintervall. Der Rechner wendet auf die eingegebene Referenzrate ein Modell mit Verdopplung alle acht Grad an. Kühlung kann die Schwachlichtleistung deutlich verbessern, doch korreliertes Rauschen und Ausleseelektronik müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Die optische Filtereffizienz wird nach der Detektor-PDE angewendet, um den Anteil der Photonen vor dem Filter abzuschätzen, die schließlich detektiert werden. Wellenlängenantwort, Mikrozellengeometrie, Fertigungsprozess, Erholungszeit, Sättigung, Übersprechen und Nachpulse beeinflussen die reale Leistung. Größere Mikrozellen bieten häufig einen höheren Füllfaktor und mehr Verstärkung, verringern aber den Dynamikbereich, weil weniger Zellen auf dieselbe Fläche passen. Der angezeigte Zeitwert ist eine aus der Mikrozellengröße abgeleitete Vergleichsschätzung und keine garantierte Auflösung. Vergleichen Sie mit diesem Rechner Betriebsszenarien und bestätigen Sie einen Entwurf anschließend anhand von Datenblattkurven und Messungen des konkreten SiPM.

Beispiele zur SiPM-Effizienz

So verwenden Sie den Rechner

1. Geben Sie Wellenlänge und Betriebstemperatur der optischen Messung ein.
2. Geben Sie Vor- und Durchbruchspannung so ein, dass eine positive Überspannung entsteht.
3. Ergänzen Sie Dunkelzählrate, Filtereffizienz, Füllfaktor und Mikrozellengröße.
4. Wählen Sie SiPM-Effizienz berechnen und vergleichen Sie die Detektor-PDE mit der optischen Gesamteffizienz.

Häufige Fragen