T-ZOIA 3002-2024 硅光電倍增管性能測試方法

．ｂｚｆ學兔兔ｗｗｗｘｗ．ｃｏｍ標準下載

31.080．ｂｚｆ學兔兔ｗｗｗｘｗ．ｃｏｍ標準下載CCS

L54ZOIA

T/ZOIA

3002—2024硅光電倍增管性能測試方法Silicon

Test

Method（2024.2）在提交反饋意見時，請將您知道的相關專利連同支持性文件一并附上。2024

-

02

-

04

發(fā)布 2024

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02

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04

實施發(fā)

布學兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ標準下載T/ZOIA

3002—2024學兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ標準下載 前言...................................................................................................................................................................... II1 ................................................................................................................................................................12 規(guī)范性引用文件............................................................................................................................................13 術語和定義....................................................................................................................................................14 一般要求........................................................................................................................................................25 詳細要求........................................................................................................................................................3參考文獻............................................................................................................................................................ 12學兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ標準下載T/ZOIA

3002—2024學兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ標準下載 本文件按照GB/T

—2020《標準化工作導則 第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件由北京郵電大學提出。本文件由中關村光電產(chǎn)業(yè)協(xié)會歸口。本文件起草單位：北京郵電大學、無錫中微晶園電子有限公司、上海聯(lián)影醫(yī)療科技股份有限公司、中國科學院高能物理研究所。騰、張世鳳、任艷玲。II學兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ標準下載T/ZOIA

3002—2024學兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ標準下載1 范圍本文件界定了硅光電倍增管（Silicon

Photomultiplier,

SiPM）的術語，規(guī)定了其光電參數(shù)的測試方法。本文件適用于SiPM性能的測試，與芯片尺寸、像素數(shù)目、封裝形式無關。2 規(guī)范性引用文件文件。GB/T

半導體分立器件文字符號GB/T

15651

半導體器件

分立器件和集成電路

第5部分：光電子器件3 術語和定義GB/T

和GB/T

15651界定的以及下列術語、定義適用于本文件。3.1反向擊穿電壓

VBR暗環(huán)境下，通過硅光電倍增管的反向電流驟然增加對應的電壓。3.2暗電流

dark

ID無光照并在試樣兩端施加規(guī)定的反向偏置電壓時，通過試樣的電流。3.3過偏壓

over

Vov高于反向擊穿電壓以上的電壓。3.4增益

gainM暗環(huán)境下，一定過偏壓下的單個像素產(chǎn)生的電荷量與電子電量之比。3.5暗計數(shù)率

dark

count

DCR暗環(huán)境下，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的雪崩事件數(shù)。3.6探測效率

efficiencyPDE探測到入射光子的概率。3.7單光子時間分辨率

timing

SPTR度量。學兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ標準下載 2 1(

) (

學兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ標準下載 2 1(

) (

) A t A t

Linearity

3.8后脈沖

after

AP比雪崩信號脈沖幅度小，且發(fā)生在雪崩信號脈沖之后。3.9串擾

crosstalkCT某一像素觸發(fā)相鄰像素雪崩的概率。3.10線性度

linearity率之比，即(t2

)

(t1)A(t1)t2 t1A(t1)式中：1—初始時刻；—終端時刻；A(t)—初始時刻入射到靶面的光子數(shù)目；Ainput(t2)—終端時刻入射到靶面的光子數(shù)目；A(t)—初始時刻觸發(fā)脈沖幅度；Aoutput(t2)—終端時刻觸發(fā)脈沖幅度。3.11動態(tài)范圍

rangeDR線性響應范圍內(nèi)，硅光電倍增管探測到的最大光子數(shù)與最小光子數(shù)的比值。3.12上升時間

rise

time觸發(fā)脈沖上升沿幅度的與90%之間的平均時間間隔。4 一般要求4.1總則“按規(guī)定”時，指按相關文件的規(guī)定。4.2測試儀器儀表4.2.1 通則各相關參數(shù)的測試儀器儀表應預先進行計量檢定或校準。4.2.2 直流測試儀器準確度優(yōu)于

0.02%，寬帶噪聲優(yōu)于

2

mVrms。4.2.3 示波器帶寬應高于待測硅光電倍增管的觸發(fā)脈沖頻率，采樣率至少高于觸發(fā)脈沖頻率的

2

倍。4.2.4 脈沖激光光源激光光源的時間抖動至少小于待測硅光電倍增管時間抖動的

。ｗｗ．ｂｚｆｘｗ兔ｗ．ｃｏｍ標學兔準下載T/ZOIA

3002—2024ｗｗ．ｂｚｆｘｗ兔ｗ．ｃｏｍ標學兔準下載4.2.5 放大模塊-3

dB帶寬應高于待測硅光電倍增管的觸發(fā)脈沖頻率。4.3 測試工作狀態(tài)4.3.1 選擇工作點測試時，不允許超過硅光電倍增管極限參數(shù)所規(guī)定的值，比如最大工作電壓、最大陽極電流等。4.3.2 選擇負載電阻、電容信噪比。4.4 測試環(huán)境條件4.4.1測量用標準大氣條件a)

環(huán)境溫度：15

℃

～

35

℃；b)

相對濕度：25%

～

；c)

氣壓：86

～

。4.4.2 其他環(huán)境條件除另有規(guī)定外，其他環(huán)境條件應按下列規(guī)定：a)

測試環(huán)境應無影響測量準確度的機械振動、靜電、電磁等干擾；b)

測試系統(tǒng)要有足夠測量預熱時間，待測硅光電倍增管的全部光電參數(shù)應在熱平衡下進行；c)

測量系統(tǒng)應接地良好，以保證測量結(jié)果的準確性；d)

測試室應具有光屏蔽條件，以避免環(huán)境光對待測硅光電倍增管性能的影響。5 詳細要求5.1 暗電流5.1.1 測試目的在規(guī)定條件下，獲得待測硅光電倍增管的暗電流。在待測硅光電倍增管兩端施加反向偏壓時，當電場強度高于載流子碰撞電離閾值時，pn

結(jié)發(fā)生雪相關，因此，反向擊穿電壓的測量要標明測試溫度和光照條件。5.1.2 暗電流測試方法測試原理圖見圖1。穩(wěn)壓源 待測硅光電倍增管圖1

暗電流測試原理圖

電流表5.1.2.1 測試步驟測試步驟如下：a)

按圖

1

連接測試系統(tǒng)；b)

設置施加在試樣兩端的反向偏置電壓掃描范圍，并記錄電流值，即為暗電流。5.1.2.2 規(guī)定條件相關文件至少應規(guī)定如下條件：a)

環(huán)境測試溫度；b)

反向偏置電壓。5.2 反向擊穿電壓5.2.1 測試目的在規(guī)定條件下，獲得待測硅光電倍增管的反向擊穿電壓數(shù)值。學兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ標準下載T/ZOIA

3002—2024學兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ標準下載在待測硅光電倍增管兩端施加反向偏壓時，當電場強度高于載流子碰撞電離閾值時，pn

結(jié)發(fā)生雪相關，因此，反向擊穿電壓的測量要標明測試溫度和光照條件。5.2.2 電流電壓法測試原理圖見圖1。5.2.2.1 測試步驟測試步驟如下：a)

按圖

1

連接測試系統(tǒng)；b)

設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)境下的電流-電壓曲線；c)

曲線中電流拐點對應的電壓即為反向擊穿電壓。5.2.2.2 規(guī)定條件相關文件至少應規(guī)定環(huán)境測試溫度。5.2.3 光照法測試原理圖見圖2。暗室光源 待測硅光電倍增管圖2

光照法測試原理圖

電壓電流表5.2.3.1 測試步驟測試步驟如下：a)

按圖

2

連接測試系統(tǒng)；b)

將特定波長的光照射到靶面上，設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，得到光照條件下的電流-電壓曲線；c)

曲線中電流拐點對應的電壓即為反向擊穿電壓。5.2.3.2 規(guī)定條件相關文件至少應規(guī)定如下條件：a)

環(huán)境測試溫度；b)

入射波長；c)

光照強度。5.2.3.3 注意事項若此方法測量得到的結(jié)果與電流電壓法得到的反向擊穿電壓結(jié)果誤差超過5.3 增益5.3.1 測試目的在規(guī)定條件下，獲得待測硅光電倍增管的增益。系數(shù)同時提高硅光電倍增管的工作電壓，從而穩(wěn)定硅光電倍增管的增益。5.3.2 電壓-電容法測試原理圖見圖3。ｏｍ標．ｃ準下ｚｆｘｗ學兔兔ｗｗｗ．ｂ載T/ZOIA

3002—2024ｏｍ標．ｃ準下ｚｆｘｗ學兔兔ｗｗｗ．ｂ載 圖3

-電壓法測試原理圖

5.3.2.1測試步驟：測試步驟如下：a)

按圖

3

連接測試系統(tǒng)；b)

調(diào)節(jié)穩(wěn)壓源，設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

M。（1）（2）式中：Cj—硅光電倍增管單個微元電容值；Ncell—硅光電倍增管微元數(shù);q—電子電荷量。5.3.3 等效電荷法測試原理圖見圖4。暗室穩(wěn)壓源 待測硅光電倍增管

電荷放大器

整形器

多通道分析儀

計算機圖4

等效電荷法測試原理圖5.3.3.1 測試步驟測試步驟如下：a)

按圖

4

連接測試系統(tǒng)；b)

調(diào)節(jié)穩(wěn)壓源，給待測硅光電倍增管施加規(guī)定的偏置電壓；c)

x

每個峰對應于基座、1

個光子、2

個光子、3

個光子等，y

軸為數(shù)字化脈沖高度；d)

根據(jù)電荷放大器放大倍數(shù)和多通道分析儀的

A/D

轉(zhuǎn)換因子，將直方圖沿

x

軸任意兩個連續(xù)峰3）算出該偏置電壓下單倍幅值脈沖對應的凈輸出電荷即為增益

M；（3）式中：Nch—單倍幅值對應道數(shù)；r—

轉(zhuǎn)換因子；m—放大器放大倍數(shù)。e)

按照上述方法測試得到不同偏置電壓下的增益；5.3.3.2 規(guī)定條件相關文件至少應規(guī)定環(huán)境測試溫度。5.3.3.3 注意事項注意事項如下：ｏｍ標準ｘｗ．ｃ下載學兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆT/ZOIA

3002—2024ｏｍ標準ｘｗ．ｃ下載學兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆa)

除采用多通道分析儀外，還可以采用電荷數(shù)字轉(zhuǎn)換器；b)

該測試方法統(tǒng)計的輸出脈沖數(shù)目必須足夠多以便創(chuàng)建有效的直方圖；c)

在低過偏壓或暗計數(shù)水平太低時，可以用低強度光照射待測硅光電倍增管，以增加輸出脈沖數(shù)目；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)果誤差超過

10%，以電壓-電容法為準。5.4 暗計數(shù)率5.4.1 測試目的在規(guī)定條件下，獲得待測硅光電倍增管的暗計數(shù)率。暗計數(shù)。過偏壓和溫度是影響暗計數(shù)的主要因素，過偏壓增大，溫度升高，都會導致暗計數(shù)增大。5.4.2 脈沖計數(shù)法測試原理圖見圖

5。暗室穩(wěn)壓源 待測硅光電倍增管 放大電路 示波器圖5

暗計數(shù)率測試原理圖5.4.2.1測試步驟測試步驟如下：a)

按圖

5

連接測試系統(tǒng)；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)

測試時間

T

內(nèi)高于規(guī)定閾值的脈沖計數(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數(shù)率

DCR。（4）5.4.2.2 規(guī)定條件相關文件至少應規(guī)定如下條件：a)

環(huán)境測試溫度；b)

反向偏置電壓；c)

規(guī)定閾值一般為

0.5

pe（photon

equivalent），即

1

個光子引發(fā)雪崩脈沖幅度的

0.5

倍。5.4.2.3 注意事項注意事項如下：a)

除使用示波器外，還可以采用計數(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輸出波形進行整形以消除干擾。5.4.3 掃描閾值法測試原理圖見圖

5。5.4.3.1 測試步驟測試步驟如下：a)

按圖

5

連接測試系統(tǒng)；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)

從低到高設置比較閾值，并測試時間

T

內(nèi)高于設定閾值的脈沖計數(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數(shù)率

DCR；（5）e)

以比較閾值為橫坐標、計數(shù)率為縱坐標做圖得到計數(shù)率的閾值階躍圖，其中，第一臺階對應的計數(shù)率即為暗計數(shù)率。5.4.3.2 規(guī)定條件相關文件至少應規(guī)定如下條件：a)

環(huán)境測試溫度；學兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ標準下載T/ZOIA

3002—2024學兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃｏｍ標準下載b)

反向偏置電壓。5.4.3.3注意事項注意事項如下：a)

除使用示波器外，還可以采用計數(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輸出波形進行整形以消除干擾；c)

若此方法測量得到的結(jié)果與脈沖計數(shù)法得到的暗計數(shù)率結(jié)果誤差超過

5.5串擾5.5.1 測試目的在規(guī)定條件下，獲得待測硅光電倍增管串擾。發(fā)的串擾信號，又稱為電串擾。串擾與反向偏壓和溫度有關，反向偏壓越大，溫度越高，串擾越嚴重。5.5.2 瞬時串擾測試方法測試原理圖見圖

5。5.5.2.1 測試步驟測試步驟如下：a)

按照圖

5

連接測試系統(tǒng)；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)放大電路后的輸出信號波形；c)

統(tǒng)計時間窗口

T

范圍內(nèi)大于低、高閾值的脈沖計數(shù)

Nd1和

Nd2；d)

按公式（6）得到待測硅光電倍增管在規(guī)定反向偏置電壓下的瞬時串擾

CTp。（6）5.5.2.2 規(guī)定條件相關文件至少應規(guī)定如下條件：a) 環(huán)境測試溫度；b) 反向偏置電壓；c) 高、低閾值一般選擇

1.5

pe

與

。5.5.3 延遲串擾測試方法測試原理圖見圖5。5.5.3.1 測試步驟測試步驟如下：a)

按照圖

5

連接測試系統(tǒng)；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)放大電路后的輸出信號波形；c)

統(tǒng)計雪崩脈沖間隔時間值，并做時間間隔統(tǒng)計直方圖；d)

直方圖左數(shù)第一個包絡包含計數(shù)記為

C0

S

7管在規(guī)定反向偏置電壓下的延遲串擾

CTe。CTe=C0/S （7）5.5.3.2 規(guī)定條件相關文件至少應規(guī)定如下條件：a)

環(huán)境測試溫度；b)

反向偏置電壓。5.6 探測效率5.6.1 測試目的在規(guī)定條件下，獲得待測硅光電倍增管探測效率。光子探測效率的因素有：載ｏｍ標學兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃ準下T/ZOIA

3002—2024載ｏｍ標學兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆｘｗ．ｃ準下a)

量子效率

η

，即硅光電倍增管將入射光子轉(zhuǎn)換成電子空穴對的概率；b)

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，雪崩觸發(fā)幾率越大；c)

填充因子

FF：硅光電倍增管感光面積與總面積之比。5.6.2 探測效率測試方法測試原理圖見圖6。

圖6

探測效率測試原理圖5.6.2.1 測試步驟測試步驟如下a)

按照圖

6

連接測試系統(tǒng)；b)

標定脈沖激光光源通過積分球后輸出光功率

P，計算經(jīng)過衰減器后，對于特定波長的每激光脈沖平均光子數(shù)

N；（8）式中：—每激光脈沖平均光子數(shù)；D—衰減器衰減系數(shù)；f—脈沖光重復頻率；h—普朗克常數(shù)；c—光速。c)

脈沖激光光功率不變并保持光路不動，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，通過示波器記錄時間窗口

T

范圍內(nèi)大于高、低閾值的脈沖計數(shù)

Nl1和

Nl2；d)

關閉光源，在相同偏壓下測試暗環(huán)境下待測硅光電倍增管時間窗口

T

范圍內(nèi)大于相同高、低閾值的脈沖計數(shù)

Nd1和

N；e)

根據(jù)公式（9）計算有效光計數(shù)

r；r=

Nl1-Nd1-(Nl2-Nd2) （9）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；（）g)

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。（11）5.6.2.2 規(guī)定條件相關文件至少應規(guī)定如下條件：a)

環(huán)境測試溫度；b)

反向偏置電壓；c)

入射波長。5.6.2.3 注意事項注意事項如下：a) 除選用脈沖激光外，還可以選用經(jīng)信號發(fā)生器、斬波器等調(diào)制的發(fā)光二極管燈或其他穩(wěn)定光源；b) 積分球出口出應再次測量激光脈沖頻率以確保光功率標定。5.7 單光子時間分辨率5.7.1 測試目的在規(guī)定條件下，獲得待測硅光電倍增管單光子時間分辨率。ｘｗ．ｃｏｍ標準下學兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆ載T/ZOIA

3002—2024ｘｗ．ｃｏｍ標準下學兔兔ｗｗｗ．ｂｚｆ載電壓、光敏面尺寸等。5.7.2 單光子時間分辨率測試方法測試原理圖見圖

7。

圖7

單光子時間分辨率測試原理圖5.7.2.1 測試步驟測試步驟如下：a)

按照圖

7

連接測試系統(tǒng)；b)

按照

b）使得脈沖光源經(jīng)過衰減器后每脈沖平均約

1

光子左右；c)

將參考信號與硅光電倍增管輸出信號接入示波器；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的單光子信號，采集單光子信號與參考信號之間的延遲時間，以延遲時間為橫坐標、延遲時間出現(xiàn)的次數(shù)為縱坐標作延遲時間直方圖；e)

對得到的延遲時間直方圖進行高斯擬合，取高斯擬合曲線半高寬作為系統(tǒng)時間抖動

；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間分辨率 。t

t

t

t

t

（10）式中：—SiPM

本征時間分辨率；—脈沖激光時間分辨率；—其他部分時間分辨率。5.7.2.2 規(guī)定條件相關文件至少應規(guī)定如下條件：a)

環(huán)境測試溫度；b)

反向偏壓；c)

入射波長。5.7.2.3 注意事項除選用示波器外，還可以選用時間相關單光子計數(shù)器等。5.8 線性度和動態(tài)范圍5.8.1 測試目的在規(guī)定條件下，獲得待測硅光電倍增管的線性度和動態(tài)范圍。強下，線性度與像素數(shù)目成正比。在線性度范圍內(nèi)，輸出脈沖數(shù)與輸入光子數(shù)成正比，因此，像素數(shù)目越多，動態(tài)范圍越大。5.8.2 光電流法測試原理圖見圖8。ｗｗ．ｂｚｆ兔ｗｘｗ．ｃｏｍ標準兔學下載ｗｗ．ｂｚｆ兔ｗｘｗ．ｃｏｍ標準兔學下載

T/ZOIA

3002—2024功率計暗室衰減器

電流表圖8

光電流法測試原理圖5.8.2.1 測試步驟測試步驟如下：a)

按照圖

8

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)增大光功率并同時記錄相對應的電流值

Il；d)

按公式（11）得到不同輸出光功率下的光電流

Ip；Ip=Il-Id (11)e)

得到光功率與光電流曲線，即為線性度；f)

動態(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)之比。5.8.2.2 規(guī)定條件相關文件至少應規(guī)定如下條件：a)

環(huán)境測試溫度；b)

反向偏壓。5.8.2.3 注意事項a)

若電流值太小，可以在待測硅光電倍增管后使用放大器；b)

若線性坐標不方便觀察，可以用對數(shù)坐標。5.8.3 光子數(shù)分辨法測試原理圖見圖9。功率計暗室激光光源

衰減器

待測硅光電倍增管

多通道分析儀圖9

光子數(shù)分辨法測試原理圖5.8.3.1 測試步驟測試步驟如下：a) 按照圖9連接測試系統(tǒng)；b) 將硅光電倍增管的輸出信號接入多通道分析儀，設置合適的道寬和道數(shù)，覆蓋硅光電倍增管的輸出電信號范圍；