[논문 리뷰] SiPM Response Functions Representing Wide Range Including Linear Behavior After Saturation

K. Kotera, Weonseok Choi외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 05.

Integrated Circuits and Semiconductor Failure Analysis참고 문헌 1인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 소자 재활성화가 단일 빛 펄스 동안 발생하는 것을 고려하여, 작고 신호가 매우 포화된 상태를 모두 정확하게 모델링할 수 있는 실리콘 포토다이오드(SiPM)의 새로운 응답 함수를 제안한다. 이 함수는 포화 이후에도 관찰되는 선형 행동을 정확히 기술할 수 있으며, 다양한 입력 빛 세기 범위에서 실제 SiPM의 특성을 정밀하게 특성화할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 낮은 신호와 매우 포화된 빛 세기에서 SiPM 응답을 정확하게 기술할 수 있는 통합 모델의 부재를 해결하기 위해.
• 기존 모델이 예측하지 못하는 실험적으로 관측된 포화 이후 선형 증가하는 SiPM 출력을 기술하기 위해.
• 단일 빛 펄스 동안 픽셀 재활성화의 물리적 메커니즘을 포함하는 함수를 개발하기 위해.
• 작은 신호에서부터 포화 상태까지 다양한 신호 진폭에서 측정된 SiPM 응답을 정확히 맞출 수 있는 단일 분석식을 제공하기 위해.

제안 방법

• 제안된 함수는 개별 SiPM 픽셀의 통계적 행동, 즉 확률적 활성화 및 복구 동역학을 통합한다.
• 단일 빛 펄스 기간 동안 이전에 발화된 픽셀의 재활성화를 모델링하여 포화 영역에서 관측된 선형 응답을 설명한다.
• SiPM 내 게이거 모드 앵귤런트 과정의 기본 물리적 메커니즘에서 유도된 함수로, 死시간(dead time)과 복구 시간 상수를 포함한다.
• 다양한 입력 빛 수준에서 측정된 SiPM 응답 데이터를 사용하여 校정(calibration)을 수행하여 경험적 정확성을 확보한다.
• 실제 SiPM 장치에서의 실험 측정값과의 비교를 통해 모델의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 단일 분석 함수로 선형 영역과 매우 포화된 영역에서의 SiPM 응답을 기술할 수 있는가?
• RQ2 포화 이후 관측된 SiPM 출력의 선형 증가를 설명하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 단일 펄스 동안의 픽셀 재활성화가 포화 영역에서의 선형 행동에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 제안된 함수는 넓은 동적 범위에서 측정된 SiPM 응답을 정확히 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 함수는 기존 모델이 예측하지 못하는 매우 포화된 영역에서 SiPM의 선형 응답을 성공적으로 기술한다.
• 단일 빛 펄스 동안의 픽셀 재활성화를 포함시킴으로써 포화 이후 실험적으로 관측된 선형 행동을 설명할 수 있다.
• 함수는 다양한 입력 빛 세기에서 실제 SiPM 장치의 측정 응답을 정확하게 기술한다.
• 모델은 작은 신호에서부터 완전한 포화에 이르기까지 SiPM 행동을 통합적으로 기술하여 실용 응용 분야에서 캘리브레이션 및 신호 재구성의 정확도를 향상시킨다.