Erfahren Sie das Wichtigste über Silizium-Photomultiplier

Marek Gali
Marek Gali, Dezember 2017

Silizium-Photomultiplier (SiPMs) sind äußerst empfindliche Detektoren für die Messung geringster Lichtmengen bis zum Nachweis einzelner Photonen. Wir erklären die Grundlagen dieser neuen Technologie und ihre Möglichkeiten.

Silizium-Photomultiplier (SiPM) bieten eine extrem hohe Empfindlichkeit, hervorragende Effizienz und sehr geringes zeitliches Taktzittern. SiPMs basieren auf in Sperrrichtung betriebenen Photodioden und können Licht von nahem UV bis zu nahem IR direkt erfassen. Anwendungsgebiete finden sich überall dort, wo niedrigste Licht- und Strahlungswerte mit hoher Präzision gemessen und quantifiziert werden müssen.

Mikrozellen-Matrix

Ein Silizium-Photomultiplier besteht aus einer Matrix von kleinen empfindlichen Elementen, sogenannten Mikrozellen oder Pixeln, die alle parallel verbunden sind. Jede Mikrozelle ist eine Geiger-Mode-Avalanche-Photodiode (GM-APD), die oberhalb der Durchbruchsspannung betrieben wird, mit einem integrierten Widerstand für das passive Löschen der Lawine (passive quenching).

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Arbeitsmodi

Im Ruhemodus ist die Diode in Sperrrichtung vorgespannt und es fließt kein Strom. Wird ein Photon absorbiert, beginnt die Lawinenmultiplikation innerhalb der GM-APD. Einmal ausgelöst, ist der Avalanche-Prozess autark. Ohne Löschen würde ein stetiger Strom fließen. Nun wird der Lawinenprozess gelöscht und die GM-APD tritt in die Erholungsphase ein. Anschließend kehrt sie in den Ruhezustand zurück und ist bereit für die Detektion eines neuen Photons.

Ausgangssignal

Während der Erholungsphase kann die GM-APD keine weiteren Photonen detektieren. Daher bestehen SiPMs aus mehreren parallel angeordneten Mikrozellen. Wenn N Photonen detektiert werden (was bedeutet, dass N Photonen auf N verschiedenen Mikrozellen ankommen, die N Einzelzellensignale erzeugen), ist das SiPM-Ausgangssignal N-mal größer als der Impuls der Einzelzelle. In diesem Fall addieren sich die N unabhängigen Stromimpulse an den SiPM-Anschlüssen. Sowohl die Amplitude als auch die Fläche jedes SiPM-Pulses, die die gesamte vom Detektor gelieferte elektrische Ladung darstellt, verhält sich proportional zur Anzahl der detektierten Photonen. Wenn die Anzahl der eintreffenden Photonen größer ist als die Anzahl der Mikrozellen, tritt eine Sättigung der SiPM auf.

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 White paper: SiPMs

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