Der SiPM-PDE-Rechner ermöglicht die präzise Abschätzung der Photonennachweiseffizienz (Photon Detection Efficiency, PDE) für Silizium-Photomultiplier (SiPM). Durch die Verknüpfung von Quanteneffizienz ($QE$), Geiger-Triggerwahrscheinlichkeit ($P_{\text{trigger}}$) und geometrischem Füllfaktor liefert das Tool verlässliche Kennwerte für die Optoelektronik, Sensorentwicklung und photonenzählende Messtechnik.
Funktionsweise und Bedienung im SiPM-PDE-Rechner
- Eingabemodus wählen — Geben Sie Kennwerte flexibel als Prozentwerte (z. B. 80 %) oder als Dezimalbrüche (z. B. 0,80) ein.
- Effizienzparameter eingeben — Tragen Sie die Quanteneffizienz ($QE$), die Lawinen-Triggerwahrscheinlichkeit ($P_{\text{trigger}}$) und den geometrischen Füllfaktor ($\text{Fill Factor}$) Ihres SiPM-Modells ein.
- Spannungen ergänzen (optional) — Durch Eingabe der Betriebsspannung ($V_{\text{bias}}$) und der Durchbruchspannung ($V_{\text{breakdown}}$) ermittelt der Rechner die anliegende Überspannung ($V_{\text{ov}}$).
- Ergebnisse ablesen — Der SiPM-PDE-Rechner berechnet unmittelbar die resultierende Gesamteffizienz in Prozent und Dezimaldarstellung sowie die relativen Faktorenanteile.
Formeln & Physikalische Grundlagen — SiPM-PDE-Rechner
Die Gesamtwahrscheinlichkeit für den erfolgreichen Nachweis eines einfallenden Photons ergibt sich aus dem Produkt dreier unabhängiger Wahrscheinlichkeiten:
$$\text{PDE}(\lambda, V_{\text{ov}}) = \text{QE}(\lambda) \times P_{\text{trigger}}(V_{\text{ov}}) \times \text{FillFactor}$$
$$\text{V}{\text{ov}} = \text{V}{\text{bias}} - \text{V}_{\text{breakdown}}$$
Die drei Determinanten der Photonennachweiseffizienz:
- Quanteneffizienz ($\text{QE}$): Gibt an, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein einfallendes Photon im aktiven Siliziumvolumen absorbiert wird und ein Elektron-Loch-Paar erzeugt. Sie hängt stark von der Wellenlänge ($\lambda$) des Lichts sowie Antireflexbeschichtungen ab.
- Geiger-Triggerwahrscheinlichkeit ($P_{\text{trigger}}$): Beziffert die Wahrscheinlichkeit, dass ein generierter Ladungsträger im hohen elektrischen Feld der Verarmungszone eine selbständige Lawinenentladung zündet. Dieser Wert steigt mit zunehmender Überspannung ($V_{\text{ov}}$) asymptotisch an.
- Geometrischer Füllfaktor ($\text{FillFactor}$): Das Verhältnis der aktiven, fotosensitiven Fläche aller Mikrozellen zur gesamten Sensorchip-Fläche. Trenngräben gegen optisches Übersprechen und Quenchwiderstände bilden tote Flächen.
Typische Anwendungsbereiche für den SiPM-PDE-Rechner
- Szintillationsdetektoren & Teilchenphysik: Genaue Abschätzung der Photonenausbeute bei Kalorimetern und Spurdetektoren.
- Medizinische Bildgebung (PET / SPECT / CT): Optimierung von Detektormodulen für Positronen-Emissions-Tomographen mit Time-of-Flight-Technologie.
- LiDAR und optische Distanzmessung: Modellierung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) für autonome Fahrzeuge und Entfernungsmesser.
- Quantenoptik und Fluoreszenz-Lebensdauerspektroskopie (TCSPC): Nachweis einzelner Photonen bei extrem geringen Lichtintensitäten.