T-ZOIA 3002-2024 硅光電倍增管性能測試方法

ZOIASiliconPhotomultiplierPerf在提交反饋意見時(shí)，請(qǐng)將您知道的相關(guān)專利連同支持性文件一并附上。I II 2 3 本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定1硅光電倍增管性能測試方法本文件界定了硅光電倍增管（SiliconPhotomultiplier,SiPM）的術(shù)語，規(guī)定了其光電參數(shù)的測本文件適用于SiPM性能的測試，與芯片尺寸、像素?cái)?shù)目、封裝形GB/T15651半導(dǎo)體器件分立器件和集成電路第5部分：光電子器件VBRIDVovMDCR探測效率photondetectioneffiPDE單光子時(shí)間分辨率single-photontimSPTR2APCTAoutput(t2)-Aoutput(t1)DR觸發(fā)脈沖上升沿幅度的10%與90%之間4.2測試儀器儀表4.2.1通則4.2.2直流測試儀器4.2.4脈沖激光光源34.2.5放大模塊-3dB帶寬應(yīng)高于待測硅光電倍增管的觸發(fā)4.3測試工作狀態(tài)4.3.1選擇工作點(diǎn)測試時(shí)，不允許超過硅光電倍增管極限參數(shù)所規(guī)定的值4.3.2選擇負(fù)載電阻、電容4.4測試環(huán)境條件4.4.1測量用標(biāo)準(zhǔn)大氣條件a)環(huán)境溫度：15℃~35℃;4.4.2其他環(huán)境條件a)測試環(huán)境應(yīng)無影響測量準(zhǔn)確度的機(jī)械振動(dòng)、靜電、電磁等干擾；b)測試系統(tǒng)要有足夠測量預(yù)熱時(shí)間，待測硅光電倍增管的全部光電參數(shù)應(yīng)在熱平衡下進(jìn)行；d)測試室應(yīng)具有光屏蔽條件，以避免環(huán)境光在待測硅光電倍增管兩端施加反向偏壓時(shí)，當(dāng)電場強(qiáng)度高于載流子碰撞電離閾值時(shí)，pn結(jié)發(fā)生雪相關(guān)，因此，反向擊穿電壓的測量要標(biāo)明測試溫度和光照5.1.2.2規(guī)定條件a)環(huán)境測試溫度；5.2反向擊穿電壓在規(guī)定條件下，獲得待測硅光電倍增管的反向擊穿電壓4在待測硅光電倍增管兩端施加反向偏壓時(shí)，當(dāng)電場強(qiáng)度高于載流子碰撞電離閾值時(shí)，pn結(jié)發(fā)生雪相關(guān)，因此，反向擊穿電壓的測量要標(biāo)明測試溫度和光照b)設(shè)置施加在待測硅光電倍增管兩端的反向偏置電壓掃描范圍，并記錄電流值，得到暗環(huán)境下5.2.2.2規(guī)定條件5.2.3光照法5.2.3.2規(guī)定條件a)環(huán)境測試溫度；5.2.3.3注意事項(xiàng)5.3增益系數(shù)同時(shí)提高硅光電倍增管的工作電壓，從而穩(wěn)定硅光電倍增管的5穩(wěn)壓源穩(wěn)壓源待測硅光電倍增管b)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓源，設(shè)置施加在待測硅光電倍增管兩端的反向偏置電壓掃描范圍，并記錄電容值C；c)按公式（1）和（2）計(jì)算待測硅光電倍增管的增益M。CNcell—硅光電倍增管微元數(shù);穩(wěn)壓源待測硅光電倍增管整形器多通道分析儀計(jì)算機(jī) 電荷放大器穩(wěn)壓源待測硅光電倍增管整形器多通道分析儀計(jì)算機(jī) 電荷放大器d)根據(jù)電荷放大器放大倍數(shù)和多通道算出該偏置電壓下單倍幅值脈沖對(duì)應(yīng)的凈輸出電荷即為增益M；m—放大器放大倍數(shù)。5.3.3.2規(guī)定條件6b)該測試方法統(tǒng)計(jì)的輸出脈沖數(shù)目必須足夠多以便創(chuàng)建有效的直方圖；c)在低過偏壓或暗計(jì)數(shù)水平太低時(shí)，可以用低強(qiáng)度光照射待測硅光電倍增管，以增加輸出脈沖d)若此方法測量得到的結(jié)果與電壓-電容法得到的增益結(jié)果誤差超在規(guī)定條件下，獲得待測硅光電倍增管的暗暗計(jì)數(shù)。過偏壓和溫度是影響暗計(jì)數(shù)的主要因素，過偏壓增大，溫度升高暗室待測硅光電倍增管放大電路待測硅光電倍增管放大電路示波器穩(wěn)壓源b)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓源，在待測硅光電倍增管兩端施加規(guī)定反向偏置電壓；c)測試時(shí)間T內(nèi)高于規(guī)定閾值的脈沖計(jì)數(shù)Nd；d)按公式（4）得到待測硅光電倍增管在規(guī)定反向偏置電壓下的暗計(jì)數(shù)率DCR。5.4.2.2規(guī)定條件a)環(huán)境測試溫度；b)反向偏置電壓；），5.4.2.3注意事項(xiàng)a)除使用示波器外，還可以采用計(jì)數(shù)器；b)測試中若出現(xiàn)堆疊現(xiàn)象，可以采用高通濾波器對(duì)輸出波形進(jìn)行b)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓源，在待測硅光電倍增管兩端施加規(guī)定反向偏置電壓；c)從低到高設(shè)置比較閾值，并測試時(shí)間T內(nèi)高于設(shè)定閾值的脈沖計(jì)數(shù)ND；d)按公式（5）得到不同比較閾值下待測硅光電倍增管的計(jì)數(shù)率DCR；e)以比較閾值為橫坐標(biāo)、計(jì)數(shù)率為縱坐標(biāo)做圖得到計(jì)數(shù)率的閾值階躍圖，其中，第一臺(tái)階對(duì)應(yīng)5.4.3.2規(guī)定條件7a)除使用示波器外，還可以采用計(jì)數(shù)器；b)測試中若出現(xiàn)堆疊現(xiàn)象，可以采用高通濾波器對(duì)輸出波形進(jìn)行整形以消除干擾；b)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓源，在待測硅光電倍增管上施加規(guī)定的反向偏置電壓，在示波器上得到經(jīng)放大電路c)統(tǒng)計(jì)時(shí)間窗口T范圍內(nèi)大于低、高閾值的脈沖計(jì)數(shù)Nd1和Nd2；d)按公式（6）得到待測硅光電倍增5.5.2.2規(guī)定條件b)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓源，在待測硅光電倍增管上施加規(guī)定的反向偏置電壓，在示波器上得到經(jīng)放大電路c)統(tǒng)計(jì)雪崩脈沖間隔時(shí)間值，并做時(shí)間間隔統(tǒng)計(jì)直方d)直方圖左數(shù)第一個(gè)包絡(luò)包含計(jì)數(shù)記為C0，直方圖總個(gè)數(shù)為S按公式（7）得CT=C0/S（7）5.5.3.2規(guī)定條件a)環(huán)境測試溫度；b)反向偏置電壓。5.6探測效率8b)雪崩觸發(fā)幾率Pb，即為載流子觸發(fā)雪崩的概率。通常電場越強(qiáng)，雪崩觸發(fā)幾率越c)填充因子F：硅光電倍增管感光面積與總面積之比。暗室脈沖激光積分球 待測硅光電倍增管——暗室脈沖激光積分球 待測硅光電倍增管——放大電路示波器功率計(jì)衰減器a)按照?qǐng)D6連接測試系統(tǒng)；脈沖平均光子數(shù)N；c)脈沖激光光功率不變并保持光路不動(dòng)，將待測硅光電倍增管置于衰減器后，并在特定的工作偏壓下，通過示波器記錄時(shí)間窗口T范圍內(nèi)大于高、低閾值的脈沖計(jì)數(shù)Nl1和Nl2；d)關(guān)閉光源，在相同偏壓下測試暗環(huán)境下待測硅光電倍增管時(shí)間窗口T范圍內(nèi)大于相同高、低e)根據(jù)公式（9）計(jì)算有效光計(jì)數(shù)r；r=Nl1-Nd1-(Nl2-Nd2)f)根據(jù)泊松分布及公式（10）得到每激光脈沖探測到的平均光子數(shù)n；=1eng)根據(jù)公式（11）得到待測硅光電倍增管在規(guī)定反向偏置電壓下的PDE。PDE=n/N（11）5.6.2.2規(guī)定條件a)環(huán)境測試溫度；5.6.2.3注意事項(xiàng)a)除選用脈沖激光外，還可以選用經(jīng)信號(hào)發(fā)生器、斬波器等調(diào)制的發(fā)光二極管燈或其他穩(wěn)定光b)積分球出口出應(yīng)再次測量激光脈沖頻率以確保光功率標(biāo)定。5.7單光子時(shí)間分辨率在規(guī)定條件下，獲得待測硅光電倍增管單光子時(shí)間分辨9暗室功率計(jì)暗室功率計(jì)衰減器待測硅光電倍增管放大電路示波器脈沖激光光源衰減器待測硅光電倍增管放大電路示波器脈沖激光光源d)在待測硅光電倍增管上施加規(guī)定的反向偏置電壓，通過在線或離線的方式篩選真實(shí)的單光子信號(hào)，采集單光子信號(hào)與參考信號(hào)之間的延遲時(shí)間，以延遲時(shí)間為橫坐標(biāo)、延遲時(shí)間出現(xiàn)的e)對(duì)得到的延遲時(shí)間直方圖進(jìn)行高斯擬合，取高斯擬合曲線半高寬作為系統(tǒng)時(shí)間抖動(dòng)Δt；f)按公式（10）得到待測硅光電倍增管在規(guī)定反向偏置電壓下的單光子時(shí)間分辨率ΔtsipM。（10）ΔtsipM—SiPM本征時(shí)間分辨率；Δtlight—脈沖激光時(shí)間分辨率；Δtother—其他部分時(shí)間分辨率。5.7.2.2規(guī)定條件a)環(huán)境測試溫度；5.7.2.3注意事項(xiàng)5.8線性度和動(dòng)態(tài)范圍暗室衰減器激光光源電流表暗室衰減器激光光源電流表待測硅光電倍增管a)按照?qǐng)D8連接測試系統(tǒng)；b)測試規(guī)定偏壓下的暗電流值Id；c)在待測硅光電倍增管上施加規(guī)定的反向偏置電壓，連續(xù)增大光功率并同時(shí)記錄相對(duì)應(yīng)的電流d)按公式（11）得到不同輸出光功率下的光電流Ip；Ie)得到光功率與光電流曲線，即為線f)動(dòng)態(tài)范圍則為線性度曲線中線性度良好（斜率發(fā)生變化前）的部分最大光子數(shù)與最小光子數(shù)5.8.2.2規(guī)定條件a)環(huán)境測試溫度；5.8.2.3注意事項(xiàng)b)若線性坐標(biāo)不方便觀察，可以用對(duì)數(shù)坐標(biāo)。暗室暗室待測硅光電倍增管待測硅光電倍增管衰減器多通道分析儀激光光源衰減器多通道分析儀激光光源b)將硅光電倍增管的輸出信號(hào)接入多通道分析儀，設(shè)置合適的道寬和道數(shù)，覆蓋硅光電倍增管c)用恒定的光源照射硅光電倍增管，改變光強(qiáng)度，記錄多通道分析儀的輸出道數(shù)和對(duì)應(yīng)的光子d)繪制輸出道數(shù)和光子數(shù)的關(guān)系曲線，找到線性區(qū)間和飽和區(qū)間；e)動(dòng)態(tài)范圍可以定義為線性區(qū)間的光子數(shù)范圍，或者線性區(qū)間的輸出道數(shù)范圍。5.8.3.2規(guī)定條件5.8.3.3注意事項(xiàng)5.9后脈沖在規(guī)定條件下，獲得待測硅光電倍增管的后APe=C1/S（12）5.9.2.2規(guī)定條件[1]Acerbi,F.,Gundacker,S.,UnderstandingandsimulatingSiPMs.NuclearInstrumentsanPhysicsResearchSectionA:Accelerators,Spectrometers,DetectorsandAssociatedEquipment,926,16-35,2019.fsiliconphotomultiplie