SiPM使用总结

1、SiPM的电子模型

首先我们来看一下二极管的雪崩电子模型，电子模型和雪崩时的电流波形如下图所示，

电流上升的快慢是由电容的充放电速度决定的，充电的时常数Td=RS*Cd，放电的时常数

Tq=Rq*Cd，这里Rq>>Rs，所以充放电的波形如上图所示。

      下图为SiPM的电子模型，图中Rq为淬灭电阻，一般为MΩ级别，Cq为淬灭部分的寄生电容，Cd为二极管的体电容，开关表示雪崩的产生。

对于单个cell来讲，上升下降时间的时常数如下：

T (rise)=Rd(Cq+Cd)

Tfast (fall) = N*RS* Ctot (快输出)

Tslow (fall) = Rq (Cq+Cd) (慢输出)

对于一个像素来说，一般一个像素由一两千个cell，所以总的恢复时间为：

Tslow(fall)=(Rq+N*RS)(Cq+Cd)

2、SiPM的应用电路

1>供正偏置电压

2>负偏置电压

       除了上面的两种电路结构，还可以选择把RS电阻放在偏置电压这里，但是不推荐这样做，因为电源的噪声会直接给到RS电阻上，上面的两种电路结构可以用SiPM来隔电源上面的噪声。

3、SiPM的电参数

下面是滨松的S15639的规格书

1>后脉冲

定义：在盖格雪崩二极管被淬火后等待下一个入射光脉冲时，自身引发雪崩的概率。

滨松的S15639后脉冲已经很小了，只有1%，下图是对比两代滨松的后脉冲的波形表现。

国产的灵明光子SiPM的后脉冲也是比较好的，慢输出的上升沿0.5ns，下降沿15ns左右。

2>PDE

定义：探测入射光子的有效概率，是一次单个入射光子被像素电路检测到的概率，是外量子效率与雪崩概率的积。

        国产SiPM的PDE一般都是比较高的，但是不清楚是AC还是DC测试的，这个AC或者DC测试时滨松提出来的，说他们是采用的AC测试，所以测出的PDE偏低。

 

SiPM的PDE与温度的关系，一般是直接给出的击穿电压和温度的关系，随着温度的升高击穿电压是逐渐变高的，也就是PDE是降低的。

偏压的提升对应PDE的提升的关系如下图所示

PDE = 填充因子 x 量子效率 x 雪崩概率 

 3>Crosstalk

定义：阵列本像元受相邻像元影响导致被误检测事件的概率。

下图也是滨松的一个课件上介绍的串扰，这个串扰是指相邻的Spad之间的影响，导致最后因为串扰导致叠加的信号变的足够的大，这个串扰的大小直接和增益也就是偏压的大小直接相关，偏压越大，串扰也就越大。

 4>暗计数DCR

定义：在无光照时产生雪崩脉冲的频率，因热生载流子、隧道电流以及其他机制导致误触发事件的频率。

影响暗计数的大小因素主要是温度和偏压的大小。

温度与暗计数的关系如下图所示。

偏压与DCR的关系如下图所示。

5> 偏压和温度对增益、暗计数、串扰、后脉冲、PDE的影响。

参考：硅光电倍增管（MPPC/SiPM）基础知识_滨松光子学商贸(中国)有限公司

6>SiPM的pile up现象

       因为SiPM的接收信号不是高斯波形，在信号比较强的时候，峰值的位置由于叠加会出现前移的现象，这样如果信号不经过校正，同一距离不同反射率信号的测距会产生误差的。

6> SiPM的频谱

方波信号的频谱：

方波信号上升、下降时间5ps，Ton=10ns ，T=20ns，频谱如下图所示，可以看到只有奇次谐波，50M，150M，250M......，

 脉冲信号的频谱：

脉冲信号上升、下降时间5ps，Ton=10ns ，T=100ns，频谱如下图所示，

 Sipm的脉冲信号频谱：

Sipm的脉冲信号上升1ns、下降时间10ns，Ton=10ps ，T=10us，频谱如下图所示，

上升时间改为10ns