SiPM 光子探测效率计算器
估算 SiPM 量子效率、雪崩触发概率、光子探测效率和光学系统效率。
关于 SiPM 光子探测效率
硅光电倍增器（SiPM）由雪崩光电二极管微单元组成阵列，在高于击穿电压的盖革模式下工作。光子在有源区域被吸收后，可产生电子空穴对并引发自持雪崩。每个被触发的微单元都会产生可测量脉冲，整个阵列能够在实用电压下探测极弱光信号。光子探测效率通常简称 PDE，表示入射光子产生被记录雪崩的概率。 PDE 不等于量子效率。量子效率描述硅吸收光子并产生有效载流子的概率；雪崩触发概率描述该载流子是否引发盖革放电；几何填充因子则考虑微单元之间的非有源结构。三者的乘积，加上已知的其他收集效应，可用于估算探测器 PDE。本计算器采用峰值位于约 550 nm 的平滑代表性硅波长响应、基于过电压的指数触发模型、输入的填充因子，以及适度的温度校正。这是工程模型，不能替代制造商实测的 PDE 曲线。 过电压等于偏置电压减去击穿电压。增大过电压通常会提高雪崩概率、增益、串扰、后脉冲和暗噪声。计算器要求过电压为正，并报告模型给出的触发概率。击穿电压本身随温度变化，因此实验室工作应采用工作温度下测量或规定的数值。这里的简单温度因子仅近似描述灵敏度漂移，不能替代器件专用的补偿系数。 暗计数率衡量没有入射信号光子时产生的雪崩。热载流子生成使暗计数率强烈依赖温度，通常每跨越某个特征温差就近似翻倍。本计算器对输入的参考计数率采用每八度翻倍的模型。冷却可大幅改善弱光性能，但仍须考虑相关噪声和读出电子学。光学滤光片效率在探测器 PDE 之后应用，用于估算滤光片上游光子中最终被探测到的比例。 波长响应、微单元几何结构、制造工艺、恢复时间、饱和、串扰和后脉冲都会影响实际性能。较大微单元通常具有较高填充因子和增益，但同一面积可容纳的单元更少，因此动态范围较低。显示的时间值是根据微单元尺寸得出的比较性估算，不是保证的分辨率。可使用本计算器比较工作情景，再依据具体 SiPM 的数据手册曲线与测量结果确认设计。
SiPM 效率示例
| 配置 | 模型结果 |
|---|---|
| 550 nm，25°C，过电压 2 V，填充因子 65%，滤光片效率 85% | QE 80.00%，触发 63.21%，PDE 32.87%，总体 27.94% |
| 550 nm，25°C，过电压 4 V，填充因子 65%，滤光片效率 85% | QE 80.00%，触发 86.47%，PDE 44.96%，总体 38.22% |
| 850 nm，25°C，过电压 5 V，填充因子 70%，滤光片效率 90% | QE 29.43%，触发 91.79%，PDE 18.91%，总体 17.02% |
| 450 nm，25°C，过电压 6 V，填充因子 75%，滤光片效率 80% | QE 71.59%，触发 95.02%，PDE 51.02%，总体 40.82% |
如何使用计算器
- 输入光学测量的波长和工作温度。
- 输入偏置电压和击穿电压，确保过电压为正。
- 填写暗计数率、滤光片效率、填充因子和微单元尺寸。
- 选择“计算 SiPM 效率”，比较探测器 PDE 与总体光学效率。
常见问题
什么是 SiPM 光子探测效率？
PDE 是入射到 SiPM 上的光子产生可探测雪崩的概率，综合了与波长有关的转换、雪崩触发及有源面积效应。
PDE 与量子效率相同吗？
不同。量子效率描述硅中的光子转换，PDE 还包括触发概率、填充因子和其他收集损耗。
为什么偏置电压必须高于击穿电压？
SiPM 微单元需要正过电压才能以盖革模式工作。低于击穿电压时，产生的载流子不会形成标准的自持雪崩脉冲。
温度如何影响 SiPM？
温度会改变击穿电压、增益和热暗计数的产生。冷却通常可降低暗计数并改善弱光信号质量。
此估算可以替代数据手册的 PDE 曲线吗？
不可以。该模型用于比较和教学。最终设计应采用具体器件实测的波长、温度和过电压曲线。