Silizium-Photomultiplier (SiPM) sind Festkörper-Photonendetektoren, entwickelt für die Erfassung schwacher Lichtsignale bis hin zur Detektion einzelner Photonen. SiPM zeichnen sich durch ihre Unabhängigkeit von Magnetfeldern, ihre kompakte Bauweise sowie ihre Einzelphotonen-Zeitauflösung (engl. Single Photon Timing Resolution, SPTR) aus. Letztere ist insbesondere für Anwendungen in der Time-of-Flight-Positronenemissionstomografie (TOF-PET) von entscheidender Bedeutung, da die Auflösung der Bildgebung direkt von der zeitlichen Auflösung des SiPM abhängt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, durch den Einsatz integrierter Elektronik die SPTR von SiPM weiter zu verbessern. Dafür wurden zunächst die Messaufbauten und Methodiken zur Ermittlung der SPTR aufgebaut und bewertet. Zur Optimierung der SPTR wurden SiPM in die Standard-0,35 µm CMOS-Technologie integriert, in Segmente unterteilt und mit Verstärkern zu einem System-on-Chip zusammengeführt. Die als Stromfolger konfigurierten Verstärker zielen darauf ab, die Ausgangskapazität zu minimieren und gleichzeitig Amplitude sowie Anstiegsrate des Ausgangssignals zu steigern. Zusätzlich wurden dieselben SiPM in einer analogen Konfiguration gefertigt, um Vergleichsmessungen durchzuführen. Hierbei erreichte der entworfene CMOS-SiPM mit integriertem Verstärker und einer Größe von (1,1 × 0,95) mm² eine SPTR von (117 ± 6) ps. Im Vergleich dazu zeigte derselbe SiPM in analoger Bauweise eine SPTR von (221 ± 6) ps beim langsamen Ausgang und (155 ± 6) ps beim schnellen Ausgang. Die Effektivität dieser Methode korreliert direkt mit der Größe des SiPM. Neben der zeitlichen Auflösung wurden die entworfenen CMOS-SiPM auch hinsichtlich der Strom-Spannungs-Kennlinie, Dunkelzählrate (engl. Dark Count Rate, DCR), korreliertem verzögertem Rauschen (engl. Correlated Delayed Noise, CDN), Verstärkung, optischem Übersprechen (engl. Crosstalk, CT) und Photonendetektionseffizienz (PDE) charakterisiert. Der CMOS SiPM zeigt eine hohe Verstärkung von (1,16 ± 0,05) × 10⁶, eine niedrige CT von (2,5 ± 0,1) %, jedoch eine DCR von (2,8 ± 0,1) MHz/mm². Die PDE, unter Ausschluss von Übersprechen und CDN, erreicht (10,9 ± 0,3) %.    «

Silizium-Photomultiplier (SiPM) sind Festkörper-Photonendetektoren, entwickelt für die Erfassung schwacher Lichtsignale bis hin zur Detektion einzelner Photonen. SiPM zeichnen sich durch ihre Unabhängigkeit von Magnetfeldern, ihre kompakte Bauweise sowie ihre Einzelphotonen-Zeitauflösung (engl. Single Photon Timing Resolution, SPTR) aus. Letztere ist insbesondere für Anwendungen in der Time-of-Flight-Positronenemissionstomografie (TOF-PET) von entscheidender Bedeutung, da die Auflösung der Bildg...    »