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Sipm PMT参数对比

SiPM 的基本工作原理#

SiPM 是一种固态光电探测器，其核心结构是在硅衬底上集成高密度微单元阵列。每个微单元包含一个工作在盖革模式下的雪崩光电二极管（APD）和串联的猝灭电阻（RQ）。所有微单元并联输出，形成共同信号端。

当光子入射某微单元并产生电子-空穴对时，在高反向偏置电压（VBIAS，通常高于雪崩击穿电压 VBR 几伏，称为过电压 ΔV）作用下，会触发自持雪崩，产生大量次级载流子。雪崩电流流经猝灭电阻产生电压降，降低 APD 两端电压，从而猝灭雪崩过程，使像素复位并对后续光子保持敏感。SiPM 输出信号为所有被触发微单元信号的总和。多个光子同时击中不同微单元时，输出脉冲幅度与被触发单元数成正比，实现光子计数能力。

SiPM 相对于传统光电探测器（如 PMT）的主要优势#

与传统光电倍增管（PMT）相比，SiPM 在核物理与粒子物理应用中有多方面优势：

  • 高增益：可实现 10⁵ 至 10⁶ 量级的内禀增益，与 PMT 相当，且无需高压电源。
  • 低工作电压：典型工作电压低于 100V，通常在 30-70V，简化供电系统并提高安全性。
  • 紧凑与坚固：固态器件，体积小、机械强度高，不易受机械冲击或振动损坏。
  • 磁场不敏感性：基本不受强磁场影响，适合磁场环境下应用，而 PMT 需复杂磁屏蔽。
  • 成本效益：大规模生产（如CMOS工艺）时，具有更低成本潜力。
  • 优异的光子计数能力：分段结构可分辨探测到的光子数量。

SiPM 的关键性能参数#

为了在实验中正确选择和使用 SiPM，理解其关键性能参数至关重要。

2.1. 光子探测效率 (Photon Detection Efficiency, PDE)#

PDE 指入射光子成功触发一次可探测盖革雪崩的概率，主要由硅的量子效率（QE）、触发概率（ϵtrigger）和几何填充因子（ϵgeom）决定：
PDE = QE × ϵtrigger × ϵgeom

  • 波长依赖性：PDE 对波长敏感。核物理/粒子物理常用闪烁体和切伦科夫辐射多在400-420 nm，SiPM 需针对该波段优化（如“NUV增强型”）。
  • 过电压影响：PDE 随过电压 ΔV 增加而提升，但 DCR 和相关噪声也会增加。
  • 填充因子：ϵgeom 为微单元光敏面积与总面积之比。结构优化（如隔离沟槽、透明导电层）可提升填充因子，现代 SiPM 可超80%。

对更高 PDE 的追求涉及 QE、填充因子和触发概率的多方面技术挑战。

增益 (Gain, M)#

SiPM 微单元增益为单次盖革雪崩产生的总载流子数，通常 10⁵-10⁶。

  • 与过电压关系：增益与 ΔV 和结电容 CJ 成正比：M = (CJ × ΔV) / e
  • 温度依赖性：固定偏置下，温度升高增益降低（VBR 随温度升高，ΔV 变小）。
  • 均匀性：像素间/器件间良好增益均匀性对精确能量测量重要。

2.3. 暗计数率 (Dark Count Rate, DCR)#

DCR 指无入射光时 SiPM 自发雪崩速率，主要由热生载流子或隧穿效应引起。

  • 温度依赖性：温度每降低7-10°C，DCR约减半，冷却可显著降低DCR。
  • 过电压依赖性：ΔV 增大，DCR 增加。
  • 面积/单元尺寸依赖性：DCR 通常以单位面积计，面积越大总 DCR 越高。
  • 影响：高 DCR 限制弱光灵敏度，影响能量分辨率。

时间分辨率#

  • 单光子时间分辨率 (SPTR)：单光子到达与输出信号间的时间差FWHM，部分器件可低于100 ps。
  • 符合时间分辨率 (CRT)：如PET应用，CRT可达100 ps FWHM或更好。
  • 影响因素：SiPM固有特性、过电压、入射光波长、读出电子学带宽与噪声。

2.5. 动态范围与线性度#

  • 受单元数量限制：有限微单元数Ncells，入射光子数Nph接近或超过Ncells时，信号饱和、非线性。
    Nfired = Ncells × (1 - exp(-PDE × Nph / Ncells))
  • 单元密度/尺寸：更高密度（更小单元）对应更大动态范围。
  • 恢复时间：单元恢复时间影响高计数率下动态范围。

相关噪声#

光学串扰 (Optical Crosstalk, OCT)#

  • 雪崩过程发射次级光子，可能触发相邻微单元，导致信号幅度大于预期。
  • 缓解：隔离沟槽、材料填充。
  • 依赖性：OCT 概率随增益/ΔV 增加。

后脉冲 (Afterpulsing, AP)#

  • 雪崩载流子被缺陷俘获，释放后可重新触发雪崩，产生延迟脉冲。
  • 缓解：提高硅纯度、改进工艺、降低温度。
  • 依赖性：AP 概率随 ΔV 增加。

相关噪声影响有效增益和 PDE，增加数据分析复杂度，降低能量分辨率。制造商通过结构和材料改进减轻这些效应。

工作电压与温度稳定性#

  • 击穿电压 (VBR)：通常30-70V，部分onsemi C系列低于30V。
  • 过电压 (ΔV)：VBIAS - VBR，决定增益、PDE、DCR、时间特性和相关噪声。
  • 温度系数：VBR随温度升高而增加（20-60 mV/°C）。
  • 稳定性要求：需精确控温或调节偏置电压补偿VBR变化，保持恒定ΔV，确保增益和PDE稳定。

SiPM参数（VBR、DCR、增益）温度依赖性要求实验装置严格控温或采用补偿机制，保证长期稳定性。

耐辐射性能#

在核物理和粒子物理实验中，辐射（中子、质子、伽马、电子）会导致性能下降：

  • 主要影响：DCR 增加（硅体损伤产生复合中心）。
  • 其他影响：击穿电压、漏电流、PDE 可能变化，但DCR增加通常为主要限制因素。部分研究表明，某些注量下PDE和增益影响较小。

缓解策略：
- 冷却：低温运行可减轻DCR增加。
- 退火：部分辐射损伤可随时间（高温下）退火，但不总能完全恢复。
- 器件设计：小单元尺寸有时更耐辐射，如FBK开发的小单元“耐辐射SiPM”。

注量水平：
- FBK NUV-HD-lowCT SiPM 经受高达 1×10¹¹ p/cm² 质子辐照。
- onsemi J 系列研究高达约 10¹¹ p/cm² 质子注量。
- KETEK、Hamamatsu、SensL、Zecotek SiPM 有高达约 10¹² neq/cm² 中子注量研究。

核物理与粒子物理中常用的 SiPM 型号及制造商#

多个制造商提供适用于核物理和粒子物理应用的 SiPM。以下是一些主要的制造商及其代表性产品系列。

Hamamatsu Photonics (MPPC - Multi-Pixel Photon Counters)#

Hamamatsu 是 SiPM 领域领先的制造商之一，提供多种系列的 MPPC。他们以在降低噪声和提高 PDE 方面的持续发展而闻名 。 

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S13360 系列 (例如 S13360-1350PE, S13360-3050CS)：
    特点：专为精密测量设计，具有较低的串扰和暗计数，以及低后脉冲。VBR​ 典型值约为 53V 。提供多种有效面积（1.3x1.3, 3x3, 6x6 mm²）和像素尺寸（25, 50, 75 µm）。

PDE：峰值波长在 450 nm 附近。对于 50 µm 像素的 S13360-1350PE，在 450nm 处的 PDE 约为 45%。对于 75 µm 像素，PDE 可超过 50% 。S13360-3050CS（50µm 像素）的峰值 PDE 约为 50% 。
增益：S13360-1350PE 的典型增益为 1.7×106 。通常在 105 到 106 之间 。
DCR：S13360-1350PE 每通道典型 DCR 为 90 kHz 。S13360-3050CS 在典型过电压下，3x3mm² 器件的 DCR 约为 150-200 kcps 。
其他：优异的时间分辨率 。50µm 像素 S13360 的串扰概率较低，例如在 3V 过电压下小于 10% 。
应用：PET、辐射监测仪、激光显微镜、流式细胞术。

S14160 系列（例如 S14160-3015PS）：

  • 特点：针对 UV-VIS 优化，适用于闪烁光探测。采用小微单元（10, 15 µm 像素），具有宽动态范围（HDR-MPPC）。
  • PDE：针对 UV-VIS 优化。S14160-3015PS（15µm 像素）在 450nm 处 PDE 约为 28%。
  • 像素数量：密度高，如 S14160-3010PS（3x3mm², 10µm 像素）约 90,000 个像素；S14160-3015PS（3x3mm², 15µm 像素）有 40,000 个像素，有助于高动态范围。
  • 应用：量能器、高动态范围测量、PET。

S14520 系列（CTA-MPPC）：

  • 特点：用于切伦科夫望远镜阵列（CTA），良好的蓝光/紫外灵敏度和大面积选项。S14520-3050CS 的 PDE 峰值在 350-400nm 附近约为 50%。

Hamamatsu MPPC 通用特性：

  • 低后脉冲和低串扰是主要发展目标。
  • 击穿电压温度稳定性好（dVBR/dT=56 mV/°C）。
  • 耐辐射性：通常良好，但 PMT 被认为更高。辐照后 DCR 增加，VBR 漂移。Hamamatsu、KETEK、FBK SiPM 经受住 1×10¹²p/cm²（约 2×10¹²neq/cm²）辐照。

onsemi#

onsemi 公司采用高产量 CMOS 工艺制造 SiPM，强调均匀性和低电压操作。

  • C 系列（如 MICROFC 型号）：
  • 特点：极低 DCR（30 kHz/mm²），420 nm 处 PDE >40%，紫外灵敏度扩展至 300 nm。偏置电压 <30V。快速输出端（上升时间 300 ps）。尺寸有 1mm, 3mm, 6mm。击穿电压均匀性（±250 mV），VBR 温度稳定性 21.5 mV/°C 。

PDE：对于 3x3mm²、35µm 像素的型号，420nm 处 PDE 为 41%。对于 3x3mm²、50µm 像素的型号，420nm 处 PDE 为 47% 。
DCR：典型值为 30 kHz/mm² 。
微单元尺寸：提供 10, 20, 35, 50 µm 。
应用：医学成像、危险品探测、3D 测距、生物光子学、高能物理 。

J 系列 (例如 MICROFJ 型号)：

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特点：高 PDE（高达 50%，并具有紫外灵敏度），低 DCR（典型值 50 kHz/mm²），采用 TSV 封装以实现最小死区和瓦片式拼接。针对时间测量优化 。VBR​ 典型值约 24.7V。过电压 1-6V。VBR​ 温度系数为 21.5 mV/°C 。

PDE：对于 35µm 微单元（例如 MICROFJ-30035-TSV），在 420nm 处（最大过电压下）PDE 高达 50%。对于 20µm 微单元（例如 MICROFJ-30020-TSV），PDE 高达 38% 。
增益：1.0×106 至 1.9×106（阳极-阴极）。
DCR：典型值为 50 kHz/mm² 。
时间特性：上升时间 130-160 ps（阳极-阴极）。快速输出脉冲宽度 1.4 ns FWHM 。
串扰：2.5 - 7.5%。后脉冲：0.75 - 5.0% 。
微单元数量：例如，MICROFJ-60035（6x6mm², 35µm 像素）拥有 22,292 个微单元 。
应用：高能物理、ToF-PET 。

耐辐射性 (J 系列)：对 J 系列的研究表明，质子辐照后 DCR 大幅增加（注量从 108 到 1010neq​/cm2），这可能对长期空间任务构成问题。PDE 和增益变化不大 。

Broadcom#

Broadcom 提供 NUV-MT（近紫外-金属填充沟槽）技术的 SiPM，强调在蓝光/近紫外区域的高 PDE 和良好的时间性能 。 

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AFBR-S4N 系列 (NUV-MT 技术, 例如 AFBR-S4N44P014M, AFBR-S4N66P014M, AFBR-S4N44P044M 阵列)：
    特点：高 PDE（420 nm 处为 63%）。四面可拼接，填充因子高。单元（SPAD）间距 40 µm。采用对紫外光透明的环氧透明模塑料封装。优异的 SPTR 和 CRT。VBR​ 和增益均匀性好 。

PDE：420 nm 处为 63%。光谱范围 250-900 nm 。
增益：AFBR-S4N44P044M（阵列）的典型增益为 7.3×106 。NUV-MT 的一般增益约为 1×106 。
DCR：120 kcps/mm² 。AFBR-S4N44P044M 每单元 DCR 为 1.7 Mcps（光敏面积 3.7x3.6 mm²），单位面积 DCR 为 125 kcps/mm² 。
串扰：<23% 。AFBR-S4N44P044M 的 PXTALK​ 约为 23% 。
后脉冲：<1% 。
时间特性：恢复时间常数 (τfall​) 55 ns 。
工作温度：-20°C 至 +50°C / +60°C 。
VBR​ 温度系数：30 mV/°C 。
尺寸：单通道（例如 2x2mm², 3.7x3.6mm², 6x6mm²）和阵列（例如 2x2 阵列，单元为 3.7x3.6mm²）。
应用：X 射线/伽马射线探测、核医学、PET、物理实验、切伦科夫探测 。

Fondazione Bruno Kessler (FBK)#

FBK 是一家研究机构，以开发先进和定制化的 SiPM 技术而闻名，包括 NUV-HD（近紫外高密度）、低串扰（LowCT）版本和低温 SiPM。经常与物理实验项目合作 。 

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NUV-HD 系列：
    特点：针对 PET 优化，峰值 PDE 在 420 nm 处为 63%（35 µm 单元）。DCR 为 100 kHz/mm²。在 PDE 为 50% 时，相关噪声概率约为 25%。优异的 CRT（LYSO 为 100 ps，LSO:Ce:Ca 为 75 ps）。

单元间距：多种，例如 15, 20, 25, 30, 35, 40 µm，具有相应的填充因子（例如 40µm 间距的填充因子为 83%）。
单元密度：例如，15µm 间距可提供 4444 SPADs/mm² 。

NUV-HD-LowCT：

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特点：与 NUV-HD 相比，直接串扰概率降低 60%。主要面向切伦科夫望远镜阵列（CTA）等应用 。

耐辐射性：进行了质子辐照研究。DCR 显著增加（在 1.2×1011p/cm2 注量下增加 2-3 个数量级），PDE 有所下降但仍保持较高水平 。

NUV-HD-Cryo：

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特点：针对低温操作优化（例如液氩 87K，液氙）。DCR 极低（77K 时为几 mHz/mm²，对于 25µm 单元甚至可达每天每单元 0.3 个计数）。采用适用于低温的改进型猝灭电阻。

应用：暗物质实验（例如 DarkSide-20k，使用 20 m² 的 FBK SiPM）。

耐辐射性研发：FBK 积极开发耐辐射 SiPM，专注于小单元、电场工程以及工艺和布局优化 。针对 CMS-BTL，目标单元间距 <20µm，恢复时间 <10ns，单元增益 >1.3×105 。

AdvanSiD (现为 First Sensor/TE Connectivity 的一部分)#

AdvanSiD 生产 NUV SiPM，包括阵列产品 。 

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ASD-NUV3S / ASD-NUV4S 系列 (例如 ASD-NUV3S-P-4x4TD 阵列)：
    特点：采用“P-on-N”技术，适用于近紫外光。峰值效率在 420 nm，光谱范围 350-900 nm。高增益 (106)。良好的时间性能。低后脉冲 (<4%)。DCR <100 kHz/mm² 。

ASD-NUV3S-P-4x4TD：4x4 阵列，每个 SiPM 面积为 3x3 mm² 。
ASD-NUV3S-SMD (单个 3x3mm²): 5520 个单元，40µm 单元间距，填充因子 60% 。
PDE：43% (峰值在 420 nm) 。
增益：3.6×106 。
DCR：在 2V 过电压下 <50 kHz/mm²，在 6V 过电压下 <100 kHz/mm² 。
VBR​：典型值 26V (范围 24-28V)。VBR​ 温度系数：26 mV/°C 。
恢复时间常数：70 ns 。
应用：高能物理、医学成像、核医学 。用于 CsI(Tl) + SiPM 辐射探测系统 。

耐辐射性：AdvanSiD SiPM（定制的 2x3 阵列，6x6mm² 单元，30µm 像素）经受了高达约 8.5×1011n(1MeV)​/cm2 的中子辐照测试，结果显示 DCR 几乎随中子注量线性增加 。也包含在更广泛的耐辐射性测试中 。

KETEK#

KETEK 生产 SiPM，包括 WB（Windowless Bonding）系列，专注于 PDE 和动态范围 。 

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PM33xx WB 系列 (例如 PM3325-WB, PM3350-EB)：
    特点：PM3325-WB (3x3mm², 25µm 微单元), PM3315-WB (15µm 微单元) 。PM3350-EB (3x3mm², 50µm 像素, 3472 像素) 。采用光学沟槽技术 。

PDE：PM3325 在 430 nm 处为 43% 。峰值 PDE 约在 430 nm 。PM3350 与 GAGG:Ce（峰值约 530-540nm）耦合使用时，根据 中的具体型号/批次，530nm 处的 PDE 为 35% 或 45%。
动态范围：PM3315-WB (15µm 像素) 拥有 39k 像素，恢复时间 13ns 。
VBR​ 温度系数：PM3350 为 18.0 mV/K 。
应用：与 LYSO 一起用于获取辐射能谱 。与 GAGG:Ce 闪烁体耦合 。

耐辐射性：KETEK SiPM 被纳入多项辐照测试 。在经受 1×1012p/cm2（约 2×1012neq​/cm2）辐照后，KETEK SiPM 的信号（增益×PDE）降低 <15%，QE（400-800nm）没有变化 。

其他制造商/一般说明#

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JCS Nuclear Solutions：提供 SiPM 作为闪烁体读出的 PMT 替代方案 。

Taiwan Applied Crystal (TAC)：提供 LYSO 闪烁晶体和 SiPM 耦合服务 。
SensL：现已并入 onsemi，其 J 系列技术由 onsemi 继续发展 。
Zecotek：因其用于高动态范围的高单元密度（<10 µm）SiPM 而被提及 。
NDL (Novel Device Laboratory)：因其高单元密度（<10 µm）SiPM 而被提及 。

当前市场同时存在“通用型”SiPM 和高度“应用专用型”SiPM，这表明该技术日趋成熟，能够满足多样化的实验需求。Hamamatsu 和 onsemi 等制造商提供适用于广泛应用的通用系列（如 S13360, C 系列）。与此同时，也出现了明确针对特定细分市场的系列：Hamamatsu S14160 用于 HDR/量能器，S14520 用于 CTA（切伦科夫）；FBK NUV-HD-Cryo 用于液态惰性气体探测器 ，NUV-HD-LowCT 用于 CTA 。

主要SiPM型号参数对比表#

制造商 系列/型号示例 有效面积 (mm²) 像素/单元间距 (µm) 单元数量 (近似值) PDE @ 峰值 (波长, nm) (%) PDE @ ~420 nm (%) 典型增益 (指定OV) DCR (kHz/mm² @ 温度, OV) 典型工作电压 (Vop) 或 VBR (V) dVBR/dT (mV/°C) SPTR (ps) 串扰 (%) (指定OV) 后脉冲 (%) (指定OV) 主要特点/备注
Hamamatsu S13360-3050CS 3.0 × 3.0 50 3600 ~50 (@450nm) ~50 1.25×10⁶ (@3V OV) ~150-200 kcps (总) VBR ~53 56 优异 <10 (@3V OV) <数个百分比 精密测量, 低噪声
Hamamatsu S14160-3015PS 3.0 × 3.0 15 40000 ~28 (@450nm) ~28 ~10⁵-10⁶ 较高 VBR (未指定) - - - - UV-VIS, 高动态范围 (HDR)
onsemi C-Series (MICROFC-30035-SMT) 3.0 × 3.0 35 5772 >41 (@420nm) >41 - 30 (典型) <30 (Vop) 21.5 - - - 低DCR, UV扩展, <30V偏压
onsemi J-Series (MICROFJ-30035-TSV) 3.07 × 3.07 35 5676 50 (@420nm, max OV) 50 1.9×10⁶ 50 (典型) VBR ~24.7 21.5 优异(130) 2.5-7.5 0.75-5.0 高PDE, 好定时, TSV封装
Broadcom AFBR-S4N44P014M 3.7 × 3.6 40 ~8300 63 (@420nm) 63 7.3×10⁶ (阵列元件) 125 (典型) VBR ~32.5 30 优异 ~23 <1 NUV-MT, 高PDE, 可拼接
FBK NUV-HD (35µm cell) (可定制) 35 816/mm² 63 (@420nm) 63 - 100 (典型) (可定制) - 75-100(CRT) ~25 (PDE 50%) - PET优化, 高PDE, 好定时
FBK NUV-HD-LowCT (40µm cell) (可定制) 40 625/mm² >50 (420nm, after rad.) >50 - 辐照后显著增加 (可定制) - - 显著降低 - 低串扰, CTA应用, 耐辐射研究
AdvanSiD ASD-NUV3S-SMD 3.0 × 3.0 40 5520 43 (@420nm) 43 3.6×10⁶ <100 (@6V OV) VBR ~26 26 好 - <4 NUV, P-on-N技术
KETEK PM3325-WB 3.0 × 3.0 25 ~10k-15k (估算) 43 (@430nm) ~40 - - - - - - - WB系列, 光学沟槽
KETEK PM3350-EB 3.0 × 3.0 50 3472 35-45 (@530nm) - - - VBR ~27.7 18 - - - 用于GAGG:Ce等闪烁体

注：部分参数因型号/批次/应用环境不同可能有差异，具体以官方数据手册为准。

最后更新: 2025-06-05
创建日期: 2025-06-05