[論文レビュー] SiPM Response Functions Representing Wide Range Including Linear Behavior After Saturation

K. Kotera, Weonseok Choi+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2015

Integrated Circuits and Semiconductor Failure Analysis参考文献 1被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、小信号および高飽和領域を包括的に正確にモデル化する新しいシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）の応答関数を提案する。特に、1回の光パルス内におけるピクセル再活性化に起因する飽和後の線形挙動も含む。この関数により、広動態範囲の入射光強度において実SiPMの正確な特徴付けが可能となる。

ABSTRACT

We have developed a function which describes SiPM response in both small signal and highly saturated regimes. The function includes the reactivation of SiPM pixels during a single input light pulse, and results in an approximately linear increase of SiPM response in the highly saturated regime, as observed in real SiPMs. This article shows that the function can accurately describe the measured response of real SiPM devices over a wide range of signal intensities.

研究の動機と目的

• 低レベルおよび高飽和光強度の両方において正確にSiPM応答を記述できる統一モデルの欠如に応えること。
• 従来のモデルが予測できないが、実験的に観測された飽和領域におけるSiPM出力の線形増加を捉えること。
• 1回の光パルス内におけるピクセル再活性化の物理的メカニズムを組み込む関数を開発すること。
• 広範な信号振幅範囲における測定されたSiPM応答を正確にフィットする単一の解析的式を提供すること。

提案手法

• 提案された関数は、個々のSiPMピクセルの統計的挙動（確率的活性化および回復ダイナミクス）を統合している。
• 1回の光パルス内に、すでに発火したピクセルの再活性化をモデル化することで、飽和領域における観測された線形応答を説明している。
• SiPMにおけるゲーパー・モードアバランチプロセスの基本的物理に基づき、デッドタイムおよび回復時間定数を組み込んでいる。
• 多数の入射光レベルにおける測定済みSiPM応答データを用いてキャリブレーションを行い、実験的正確性を確保している。
• 実SiPMデバイスからの実験的測定値と比較することで、モデルの妥当性を検証している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして単一の解析的関数が、線形領域および高飽和領域の両方におけるSiPM応答を記述できるか？
• RQ2 飽和後に観測されたSiPM出力の線形増加を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 1パルス内におけるピクセル再活性化は、飽和領域における線形挙動にどの程度寄与しているか？
• RQ4 提案された関数は、広動態範囲における測定されたSiPM応答を正確に再現できるか？

主な発見

• 提案された関数は、従来のモデルが予測できない高飽和領域におけるSiPMの線形応答を成功裏に捉えている。
• 1回の光パルス内におけるピクセル再活性化の組み込みにより、実験的に観測された飽和領域における線形挙動が説明できるようになった。
• この関数は、広範な入射光強度範囲における実SiPMデバイスの測定応答を正確に記述している。
• 本モデルは、微小信号から完全飽和に至るまでのSiPM挙動を統一的に記述でき、実用応用におけるキャリブレーションおよび信号再構成の精度を向上させる。