硅光电倍增管MPPC/SiPM温度与增益的关系及温度偏压补偿的必要

多像素光子计数器 (MPPC)，也称为硅光电倍增器 (SiPM)，是一种固态光电倍增管，非常适合单光子计数和其他超低光应用，比如学术研究(生物光子学、粒子物理学、量子计算等)、测量仪器(流式细胞仪，显微镜等)、PET扫描仪、激光雷达等。

MPPC/SiPM温度特性一般是指温度变化引起的MPPC/SiPM增益的变化。这是因为温度影响击穿电压(Vbr)，进而影响过电压(Vov)的大小，过电压(Vov)指的是反向偏压(Vbias)与击穿电压(Vbr)之差。因此，在有温度变化的环境下使用MPPC/SiPM，比如户外，过电压的变化导致了MPPC/SiPM输出信号会随温度而变化。

一、硅光电倍增管MPPC/SiPM温度与增益的关系

温度会影响MPPC/SiPM击穿电压的大小，温度越高，击穿电压越大。这是因为温度越高，晶格振动越大，载流子在前期加速过程中碰撞到晶格的概率越大，而要想离子化晶格，载流子得具备一定的能量或者说速度，这就导致前期加速中载流子离子化晶格的概率降低，因此需要进一步提升电场强度来弥补这种概率，简单来说就是需要更高的电压来实现MPPC/SiPM的击穿，即击穿电压越大。

由于硅光电倍增管MPPC/SiPM的增益与过电压成正比，温度升高，晶格震动加剧，载流子在获得足够大的加速能量之前撞击晶格的概率增加，电离发生的难度提高，击穿电压变大。因此，如果反向偏压不变，温度升高会导致增益降低。

为了使得过电压保持不变，需要根据这个温度系数同时提高MPPC/SiPM的工作电压，从而稳定MPPC/SiPM的增益。

二、如何对硅光电倍增管MPPC/SiPM进行温度偏压补偿?

滨松MPPC/SiPM的工作电压温度系数是用来维持增益不变的，温度系数用每摄氏度改变反向偏压量来表示，以下图为例，温度系数约为63 mV/℃。

在有温度变化的地方使用MPPC/SiPM，比如户外时，MPPC/SiPM输出信号会随温度而变化。为了维持稳定的增益，需要保持器件温度恒定，或者根据温度变化调节反向偏压。

这个时候，我们根据温度变化来相应地补偿偏压的大小，就可以使得过电压保持不变，进而稳定探测器的增益。

以滨松S13360-3050CS为例，如果不进行温度偏压补偿，MPPC/SiPM增益随温度升高而下降。滨松开发出了自带温度偏压补偿功能的电源模块，专门用来对MPPC/SiPM进行温度偏压补偿，例如C11204-01。

如下如所示，通过温度偏压补偿之后，即使MPPC/SiPM在温度跨度近60℃的条件下使用，其增益都可以保持非常稳定的状态。

审核编辑 黄宇