Калькулятор эффективности регистрации фотонов SiPM
Оцените квантовую эффективность SiPM, вероятность запуска лавины, эффективность регистрации фотонов и оптической системы.
Об эффективности регистрации фотонов SiPM
Кремниевый фотоумножитель, или SiPM, представляет собой массив микроячеек лавинных фотодиодов, работающих в гейгеровском режиме при напряжении выше пробоя. Поглощённый в активной области фотон может создать электронно-дырочную пару, запускающую самоподдерживающуюся лавину. Каждая сработавшая микроячейка даёт измеримый импульс, а весь массив способен обнаруживать очень слабый свет при практически удобных напряжениях. Эффективность регистрации фотонов, обычно обозначаемая PDE, выражает вероятность того, что падающий фотон вызовет зарегистрированную лавину. PDE не тождественна квантовой эффективности. Квантовая эффективность описывает вероятность поглощения фотона кремнием и образования полезного носителя заряда. Вероятность запуска лавины показывает, инициирует ли этот носитель гейгеровский разряд. Геометрический коэффициент заполнения учитывает неактивные структуры между микроячейками. Их произведение с учётом других известных эффектов сбора оценивает PDE детектора. Калькулятор использует гладкую типовую спектральную характеристику кремния с центром около 550 nm, экспоненциальную модель запуска на основе перенапряжения, введённый коэффициент заполнения и умеренную температурную поправку. Это инженерная модель, а не замена измеренной производителем кривой PDE. Перенапряжение равно напряжению смещения минус напряжение пробоя. Его увеличение обычно повышает вероятность лавины, усиление, перекрёстные срабатывания, послеимпульсы и темновой шум. Калькулятор требует положительного перенапряжения и выводит модельную вероятность запуска. Само напряжение пробоя меняется с температурой, поэтому в лаборатории следует использовать значение, измеренное или указанное для рабочей температуры. Простой температурный множитель здесь лишь приближённо описывает дрейф чувствительности и не заменяет коэффициенты компенсации конкретного устройства. Частота темнового счёта характеризует лавины, возникающие без падающих сигнальных фотонов. Тепловая генерация носителей делает её сильно зависимой от температуры; часто она приблизительно удваивается на некотором характерном температурном интервале. Калькулятор применяет к введённой опорной частоте модель удвоения каждые восемь градусов. Охлаждение может заметно улучшить работу при слабом свете, но нужно также учитывать коррелированный шум и электронику считывания. Эффективность оптического фильтра применяется после PDE детектора, чтобы оценить долю фотонов перед фильтром, которые в итоге будут зарегистрированы. Спектральная характеристика, геометрия микроячеек, технология изготовления, время восстановления, насыщение, перекрёстные срабатывания и послеимпульсы влияют на реальные характеристики. Более крупные микроячейки часто дают больший коэффициент заполнения и усиление, но уменьшают динамический диапазон, поскольку на той же площади помещается меньше ячеек. Показанное время — сравнительная оценка по размеру микроячейки, а не гарантированное разрешение. Используйте калькулятор для сравнения режимов, затем подтверждайте проект кривыми из технического описания и измерениями именно выбранного SiPM.
Примеры эффективности SiPM
| Конфигурация | Результат модели |
|---|---|
| 550 nm, 25°C, перенапряжение 2 V, заполнение 65%, фильтр 85% | QE 80.00%, запуск 63.21%, PDE 32.87%, общая 27.94% |
| 550 nm, 25°C, перенапряжение 4 V, заполнение 65%, фильтр 85% | QE 80.00%, запуск 86.47%, PDE 44.96%, общая 38.22% |
| 850 nm, 25°C, перенапряжение 5 V, заполнение 70%, фильтр 90% | QE 29.43%, запуск 91.79%, PDE 18.91%, общая 17.02% |
| 450 nm, 25°C, перенапряжение 6 V, заполнение 75%, фильтр 80% | QE 71.59%, запуск 95.02%, PDE 51.02%, общая 40.82% |
Как пользоваться калькулятором
- Введите длину волны и рабочую температуру оптического измерения.
- Введите напряжения смещения и пробоя так, чтобы перенапряжение было положительным.
- Добавьте частоту темнового счёта, эффективность фильтра, коэффициент заполнения и размер микроячейки.
- Нажмите «Рассчитать эффективность SiPM» и сравните PDE детектора с общей оптической эффективностью.
Частые вопросы
Что такое эффективность регистрации фотонов SiPM?
PDE — вероятность того, что падающий на SiPM фотон вызовет обнаруженную лавину. Она объединяет зависящее от длины волны преобразование, запуск лавины и влияние активной площади.
PDE — то же самое, что квантовая эффективность?
Нет. Квантовая эффективность относится к преобразованию фотонов в кремнии. PDE также включает вероятность запуска, коэффициент заполнения и другие потери сбора.
Почему напряжение смещения должно превышать напряжение пробоя?
Микроячейкам SiPM нужно положительное перенапряжение для гейгеровского режима. Ниже пробоя возникший носитель не создаёт стандартного самоподдерживающегося лавинного импульса.
Как температура влияет на SiPM?
Температура меняет напряжение пробоя, усиление и тепловую генерацию темновых импульсов. Охлаждение обычно снижает темновой счёт и может улучшить качество слабого светового сигнала.
Может ли эта оценка заменить кривую PDE из технического описания?
Нет. Модель предназначена для сравнения и обучения. Окончательные проекты должны опираться на кривые длины волны, температуры и перенапряжения, измеренные для конкретного устройства.