SiPM 光子偵測效率計算機
估算 SiPM 量子效率、雪崩觸發機率、光子偵測效率與光學系統效率。
關於 SiPM 光子偵測效率
矽光電倍增器（SiPM）是由雪崩光電二極體微單元組成的陣列，在高於崩潰電壓的蓋革模式下運作。光子被主動區吸收後，可產生電子電洞對並啟動自持雪崩。每個觸發的微單元都會產生可量測脈衝，整個陣列可在實用電壓下偵測極微弱的光。光子偵測效率通常簡稱 PDE，表示入射光子產生被記錄雪崩的機率。 PDE 不等於量子效率。量子效率描述矽吸收光子並產生有效載子的機率；雪崩觸發機率描述該載子是否啟動蓋革放電；幾何填充因子則考量微單元之間的非主動結構。三者的乘積，連同已知的其他收集效應，可用於估算偵測器 PDE。本計算機使用峰值約在 550 nm 的平滑代表性矽波長響應、依過電壓建立的指數觸發模型、輸入的填充因子，以及適度的溫度校正。這是工程模型，不能取代製造商量測的 PDE 曲線。 過電壓為偏壓減去崩潰電壓。提高過電壓通常會增加雪崩機率、增益、串擾、後脈衝及暗雜訊。計算機要求過電壓為正，並顯示模型的觸發機率。崩潰電壓本身會隨溫度改變，因此實驗室工作應使用操作溫度下量測或規定的數值。此處的簡單溫度因子僅近似描述靈敏度漂移，無法取代元件專屬的補償係數。 暗計數率衡量沒有入射訊號光子時所產生的雪崩。熱載子生成使暗計數率高度依賴溫度，通常每經過某個特徵溫差就近似倍增。本計算機對輸入的參考計數率套用每八度倍增的模型。冷卻可大幅改善微弱光性能，但仍須考量相關雜訊與讀出電子電路。光學濾光片效率在偵測器 PDE 之後套用，以估算濾光片上游光子中最終被偵測的比例。 波長響應、微單元幾何、製程、恢復時間、飽和、串擾及後脈衝都會影響實際性能。較大的微單元通常具有較高填充因子與增益，但相同面積可容納的單元較少，因此動態範圍降低。顯示的時間值是依微單元尺寸推導的比較性估算，不是保證的解析度。請用本計算機比較操作情境，再依確切 SiPM 的規格書曲線與量測結果確認設計。
SiPM 效率範例
| 組態 | 模型結果 |
|---|---|
| 550 nm，25°C，過電壓 2 V，填充因子 65%，濾光片效率 85% | QE 80.00%，觸發 63.21%，PDE 32.87%，整體 27.94% |
| 550 nm，25°C，過電壓 4 V，填充因子 65%，濾光片效率 85% | QE 80.00%，觸發 86.47%，PDE 44.96%，整體 38.22% |
| 850 nm，25°C，過電壓 5 V，填充因子 70%，濾光片效率 90% | QE 29.43%，觸發 91.79%，PDE 18.91%，整體 17.02% |
| 450 nm，25°C，過電壓 6 V，填充因子 75%，濾光片效率 80% | QE 71.59%，觸發 95.02%，PDE 51.02%，整體 40.82% |
如何使用計算機
- 輸入光學量測的波長與操作溫度。
- 輸入偏壓與崩潰電壓，確保過電壓為正。
- 填入暗計數率、濾光片效率、填充因子與微單元尺寸。
- 選取「計算 SiPM 效率」，比較偵測器 PDE 與整體光學效率。
常見問題
什麼是 SiPM 光子偵測效率？
PDE 是入射至 SiPM 的光子產生可偵測雪崩的機率，結合了隨波長變化的轉換、雪崩觸發與主動面積效應。
PDE 與量子效率相同嗎？
不同。量子效率涵蓋矽中的光子轉換；PDE 還包含觸發機率、填充因子與其他收集損耗。
為何偏壓必須超過崩潰電壓？
SiPM 微單元需要正過電壓才能以蓋革模式運作。低於崩潰電壓時，產生的載子不會形成標準的自持雪崩脈衝。
溫度如何影響 SiPM？
溫度會改變崩潰電壓、增益與熱暗計數的生成。冷卻通常能降低暗計數，並改善微弱光訊號品質。
此估算能取代規格書的 PDE 曲線嗎？
不能。模型用於比較與教學。最終設計應使用確切元件實測的波長、溫度與過電壓曲線。