3.4 新型光半导体探测器
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3.4 新型光半导体探测器. 3.4 .1 象限阵列光电探测器. 3.4.2 新型的硅光子计数器件. 本节介绍一些在一定领域有广泛应用前景的特殊的探测器。. 例如：象限、线阵列式光电探测器、盖革式 MPPC 、光度测量三色式 (RGB) ，视觉型光电二极管、核辐射光电探测器、组合件及模块等。. 3.4 .1 象限阵列光电探测器. 2 象限或 4 象限阵列光电探测器是在一块 PN 结光电二极管的光敏面上用光刻的方法制成 2 个或 4 个面积相等的象限排列或矩形排列。. 象限 ( 分割型 ) 阵列光电二极管器件示意图. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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3.4 新型光半导体探测器
3.4.1 象限阵列光电探测器
3.4.2 新型的硅光子计数器件
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本节介绍一些在一定领域有广泛应用前景的特殊的探测器。 例如：象限、线阵列式光电探测器、盖革式MPPC 、光度测量三色式 (RGB) ，视觉型光电二极管、核辐射光电探测器、组合件及模块等。
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2 象限或 4 象限阵列光电探测器是在一块 PN
结光电二极管的光敏面上用光刻的方法制成 2 个或4 个面积相等的象限排列或矩形排列。
3.4.1 象限阵列光电探测器
象限 ( 分割型 ) 阵列光电二极管器件示意图
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如图，当光斑偏向 P2 区， P2 的电流大于 P1
的电流，放大器的输出电压将为大于零的正电压，电压值的大小反映光斑偏离的程度；反之，若光斑偏向 P1 ，同样可检测光斑偏向 P1 区的程度。
3.4.1 象限阵列光电探测器
光斑中心位置的 2 象限检查电路
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新型的硅光子计数器件 (MPPC) 是一种多个在盖革模式下工作的 APD 像素组成的新型光子计数器件。从本质上讲， MPPC 是一种优良的光子计数能力的光半导体器件，而且具有在低偏压下工作和不受磁场影响的优点。
3.4.2 新型的硅光子计数器件 (MPPC)
当探测到单个光子时， MPPC 的每个 APD 像素都会给出一个脉冲信号，从 MPPC 输出的信号是所有的 APD 像素输出的总和。 MPPC 可以提供光子计数的优良性能，应用于微弱光检测的各个领域。
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MPPC 是一个盖革模式工作状态的 APD ，即是让 APD 在高于击穿电压 (VBR) 的反向偏压下工作。
3.4.2 新型的硅光子计数器件 (MPPC)
工作原理
VR：反向偏压 VBR：击穿电压
盖革模式 APD 工作状态
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MPPC 在盖革模式下，当有光子撞击 APD 的一个像素时，会产生一个和光子数无关的连续信号：放电 Q=C×(VR
－ VBR) ，当有电流流过阻尼电阻时，反向电压降为 VBR ，再充电，当再充电时又使反向偏压恢复到 VR 重复盖革模式。见图 3-95 。其工作过程是：放电－阻尼－再充电。
3.4.2 新型的硅光子计数器件 (MPPC)
盖革模式 APD和阻尼电阻
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MPPC 是多个盖革模式并列相连的 APD 像素组成，如图 3-96 所示。在盖革模式下，当光子进入APD 像素时，像素中会输出和光子数无关的 ( 即通过内部放大 ) 连续脉冲。
3.4.2 新型的硅光子计数器件 (MPPC)
通过测量脉冲的幅度或电荷，就可以估计 MPPC 检测到的光子数：
Q=C×(VR － VBR)×Nfired
C ： APD 像素的极间电容Nfired ： APD 像素的光子数
MPPC 等效电路
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高速探测效率，优良的光子计数性能 高增益： 105 ～ 106 低偏压 (100V 以下 ) 、常温下工作 高时间分辨率，可测单电子谱 不受磁场影响 输出电路简单 体积小
3.4.2 新型的硅光子计数器件 (MPPC)
(1) 特性
不足 : 暗计数大 ,100 ～400kcps
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3.4.2 新型的硅光子计数器件 (MPPC)
(2) 增益 下面着重介绍 MPPC 的增益测量方法与装置、线性及温度特性。
增益测试原理图 首先将脉冲光通过光学衰减器进行减光，然后再照射到 MPPC 上。 MPPC 输出经过电荷前放、主放大器、多道脉冲幅度分析器可以得到一个个输出电荷的频谱分布。
A 增益测量方法与装置
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3.4.2 新型的硅光子计数器件 (MPPC)
多道脉冲分析器的ADC 的转换效率 η( 即每道的电荷数 ) 为 0.382fC/ch 。从频谱分布图可以看出，相邻两个峰正好是和探测到一个光子的输出电荷相等。而两个峰之间的距离道数n=131-1=130 道。
道数
输出电荷频谱分布
因此，增益可表示为：5
19
15
101.3106.1
10382.0130
q
nM
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3.4.2 新型的硅光子计数器件 (MPPC)
B 增益线性 : 增益与反向电压的关系
反向偏压 (V)
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3.4.2 新型的硅光子计数器件 (MPPC)
C 增益的温度特性 当温度升高时，晶体内部的点阵振动加剧。在加速的载流子能量达到足够大之前，这就增加了撞击晶体的可能性，并且使离子化很难发生。另外随着温度的升高，如反向偏压不变时，增益会下降。
温度 (℃)
反向偏压与温度关系曲线