光探測器如何選擇?PMT、MPPC、APD、PD性能對比

發布日期:2023-05-29 17:00:26   瀏覽量 :2495
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因為光電探測器紛繁復雜的屬性,很多客戶在選型時總是容易被到底該選擇PMT、MPPC、APD、PD而搞得暈頭轉向。今天這篇文章小編就從這四款光電產品的基本原理以及光靈敏度、增益、噪聲特性、響應速度、工作電壓、探測面積等基本參數來對比分析,為大家撥開“迷霧”,找到最適合各位的探測器類型。

圖1 4款光電探測器展示


4款探測器原理對比
我們先簡單復習一下這4款光電探測器的工作原理。

PMT工作原理

PMT:光電倍增管(Photomultiplier Tube),屬于真空電子器件。

工作原理:光陰極面受到光照后由于光電效應釋放出光電子,產生的電子進入倍增級中,實現連續的倍增,進而實現電子的放大,最后通過陽極輸出電流信號。

圖2 PMT工作原理

PD工作原理

PD:光電二極管( Photo Diode),屬于半導體光電探測器。
工作原理:當半導體中的PN結受到光照射,且入射光能量高于光電二極管的帶隙能時,會產生電子和空穴,其中在內部電場的驅動下,電子和空穴按相反方向各自移動,形成了光電流。

 圖3 PD工作原理

APD工作原理

APD:雪崩光電二極管(Avalanche Photo Diode),屬于半導體光電探測器。

工作原理:APD的光電流和PD的光電流產生機制相同,通過給PN結施加反向電壓,光生載流子碰撞晶格,發生電離,產生新的電子空穴對,類似于“雪崩”效應(即光電流成倍地激增的現象)。雪崩倍增效應使得APD具有高的靈敏度,可以探測微弱的光。

圖4 APD工作原理

MPPC工作原理

MPPC:多像素光子計數器(Multi-Pixel Photon Counter),屬于半導體光電探測器。

工作原理:MPPC是一種由多個工作在蓋革模式的APD組成的光子計數型器件,在蓋革模式下,APD的反向電壓高于擊穿電壓。即使輸入光極弱,也會出現輸出飽和(蓋革放電)。為停止蓋革放電并探測下一個光子,需要降低APD外部電路的工作電壓。通過APD串聯淬滅電阻的方式可以終止APD的蓋革放電,從而快速停止APD中的雪崩倍增,實現微弱光信號的探測和放大。

圖5 MPPC工作原理


4款探測器參數對比

接下來通過對光靈敏度、增益、噪聲特性、響應速度、工作電壓、探測面積等參數性能對比分析,幫助大家進一步做好探測器的選型。

光靈敏度

光靈敏度是指光電探測器對光信號的感知能力,其中PMT和MPPC均能夠實現對單個光子的探測。

如果探測極微弱光,

信噪比:PMT>MPPC>APD>PD

圖6 光靈敏度對比

增益

增益是指光電探測器將光信號轉換為電信號后,對電子信號的放大能力。PMT是通過連續的倍增級實現的電子放大。

增益對比,

PMT≈10>MPPC≈106  >APD≈10 

PD不具備增益能力

響應速度

光電探測器的響應速度通常用上升時間或者截止頻率來描述。

PMT>MPPC\APD;

PD分為PN型和PIN型,PIN型>PN型

工作電壓

工作電壓是指光電探測器在工作時所需要的工作電壓。

PMT工作電壓需要上千伏,需要使用到高壓電源;

APD 工作電壓在100-500 V;

MPPC工作電壓在30-60 V;

PD的工作電壓最低在0-5 V。

探測面積

光電探測器的探測面積也是影響探測效率的主要因素,其中如果對比單個光電探測器的面積大小。

PMT的面積是最大的,目前可以做到20英寸;

PD、APD、MPPC受噪聲和帶寬的影響,一般在幾毫米量級,需要大面積探測的,可以選擇陣列產品,或者進行定制。

噪聲

暗噪聲是指光電探測器在沒有光入射時,由于器件本身的原因導致的電流輸出。

PMT是真空電子器件,暗噪聲主要來源于器件的漏電流和熱電子發射;

PD、APD、MPPC都屬于半導體器件,暗噪聲來源主要是暗電流的散粒噪聲和分流電阻的熱噪聲。

除了以上的性能對比,還有其他的參數對比,可以參考下表。
圖7 參數性能對比
光電
探測器
APD
MPPC
光電二極管
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