APD、PMT及其混合型高靈敏度光電探測器

杜思超

摘要：對于APD、PMT及其混合型高靈敏度光電探測器來說，其都屬于單點探測設(shè)備，在測光譜過程中可借助于掃描的方式實現(xiàn)。為了了解APD、PMT兩種高靈敏度光電探測器的使用原理，結(jié)構(gòu)及主要工作特性，本文首先分析了兩種探測器的基本原理及使用工作特征，介紹了如何提升它們的使用競爭力，并對相關(guān)研究新進(jìn)展進(jìn)行了探討，期望能夠給同領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)人員提供一定技術(shù)和理論支撐。

關(guān)鍵詞：APD、PMT;混合型;高靈敏度;光電探測器

引言

針對高靈敏度光電探測器（雪崩光電二極管，APD）和光電倍增管（PMT）在高新技術(shù)方面的應(yīng)用看，其有很大的發(fā)展前景，例如使用在光譜儀、遙感測量及醫(yī)學(xué)影像的診斷、軍事偵察等方面都具有重要意義[1]。隨著近幾年相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展能力及其競爭力的加快，APD與PMT之間競爭發(fā)展越來越激烈化，其中PMT可應(yīng)用于藍(lán)光、極高靈敏度和極低噪聲等方面，另外，對應(yīng)的光電倍增管還需要響應(yīng)對應(yīng)反應(yīng)速度，持續(xù)實現(xiàn)信號的有效輸出。這樣的設(shè)計可優(yōu)化二次發(fā)射的倍增，同時能夠獲取極低的噪音，主要可應(yīng)用于光子計數(shù)及弱光的探測等方面。

1APD、PMT的工作原理及主要結(jié)構(gòu)特征

APD主要指的是一種雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)，是在激光通信中進(jìn)行使用的光敏元件，從使用原理上看，主要以硅或者鍺為材料制成的光電二極管的P-N結(jié)上加上反向偏壓后，射入到光被P-N結(jié)吸收以后所形成的光電流，經(jīng)過加大處理以后，會對應(yīng)產(chǎn)生近紅外熒光的檢測。從應(yīng)用的優(yōu)點上分析，APD檢測器特征是具有低噪聲、高速及高互相抗增益及靈敏度高的作用，主要可應(yīng)用于可見光的紅綠熒光及紅外熒光檢測中。在具體的應(yīng)用中，APD因為其屬于量子固態(tài)結(jié)構(gòu)，量子的使用效率相對較高，因此也可被廣泛應(yīng)用[2]。

PMT屬于光電倍增管，是光子計數(shù)器件中的主要應(yīng)用產(chǎn)品，并且具有極高的靈敏度和超快時間的光探測器件。從使用原理上看，光電倍增是一種真空型的器件結(jié)構(gòu)，其主要是由發(fā)射陰極及其聚焦的電極生成，當(dāng)光照射到光陰極時，對應(yīng)的光陰極會向著真空當(dāng)中發(fā)射出對應(yīng)的光電子，這樣光電子就能夠聚焦到電極系統(tǒng)中，電子倍增極，這些電子按照聚集的電場進(jìn)入到倍增處理系統(tǒng)中，并通過進(jìn)一步的二次發(fā)射，實現(xiàn)倍增的等效增大，然后再通過將其放大后的電子使用陽極收集裝置進(jìn)行信號的輸出和應(yīng)用。從優(yōu)勢上看，需采取使用二次倍增系統(tǒng)，將光電倍增管在對應(yīng)的探測紫光、可見光與藍(lán)光中，這樣具有極高的靈敏度和低的噪音，另外光電倍增管還具有快速響應(yīng)和成本造價低等優(yōu)勢。

2APD和PMT新的研究進(jìn)展

2.1大光敏感區(qū)域面積的APD

典型的APD的光敏區(qū)域面積相對較小，直徑僅為300μm左右，因此限制了對應(yīng)的應(yīng)用流程和趨勢，使得APD在與PMT競爭體系中，最近大光敏區(qū)域的面積APD（LAAPD）有了較大的研究進(jìn)展，其中美國AdvancedPhotonix公司采取了中子嬗變摻雜及其邊緣斜削技術(shù)，所制備的APD直徑能夠達(dá)到最大20mm，在利用中子進(jìn)行轟擊Si原子使其發(fā)生嬗變的過程中變?yōu)榱自覽3]，進(jìn)而生成了n型半導(dǎo)體的優(yōu)點即摻雜均勻性，其中LAAPD的擊穿電壓要大于2kV，并且在可變光譜區(qū)域的量子效率會大于90%。

2.2位置敏感的PMT

對于位置敏感PMT的發(fā)明改進(jìn)了PMT的使用空間分辨率，使得他們在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中能夠及時有效的診斷，并且在廣泛的應(yīng)用過程中，可選取使用打拿極或者交叉線形陽極處理，柵形打拿極位置敏感，由于柵形打與入射的光子在縱向重合的對應(yīng)位置，使得二次電子運(yùn)動的路徑發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，并且電子幾乎都能夠回到與入射光子縱向相互重合的位置上，因此能夠極大的限制了光電子的發(fā)散，對于提升空間分辨率，提升位置敏感程度等具有重要意義。

3APD、PMT及其混合型高靈敏度光電新型探測器

盡管APD和PMT都能夠占據(jù)高靈敏度的光電探測應(yīng)用市場，但是他們具備一定優(yōu)勢的同時也存在一定的弱勢，其中PMT對應(yīng)的增益相對較高，且在大的光敏感區(qū)域面積低的噪音等效功率要打，但是其量子的效率相對較低，僅能夠在工作UV和可見光譜范圍內(nèi)，其中APD在某些使用過程中能夠高效的克服PMT使用缺陷，例如量子使用效率相對較高，使用功耗低及工作的頻譜范圍大等，但是增益相對較低，僅僅能夠在工作的過程中，使用UV和可見光譜范圍內(nèi)的應(yīng)用途徑[4]，APD在某些方面能夠有效的克服PMT缺陷，例如量子效率相對較高，功耗較低，工作頻率的使用范圍較大等[5]，但是增益低和較高的NEP，因此人們希望能夠有一種器件，能夠綜合實現(xiàn)APD和PMT之間的使用優(yōu)勢，弱化使用弱點等。此混合結(jié)構(gòu)的動態(tài)范圍相對較大，且增強(qiáng)了光電二極管的一種高量子效率，及其寬的工作范圍，其中入射光子能夠透過半透明型的窗口進(jìn)行照射到對應(yīng)的陰極上，并且對應(yīng)的陰極材料主要包含有GaAs、GaAsP等，使得在電荷云聚集的過程中會導(dǎo)致PMT的響應(yīng)，進(jìn)而使得PMT典型的響應(yīng)限制在105，現(xiàn)在商業(yè)的掃描成像系統(tǒng)僅有掃描一種檢測檢測方式，sapphire雙模式多光譜激光成像系統(tǒng)的問世，打破了這樣的格局，sapphire除了掃描成像方式外，標(biāo)配了610萬像素，大光圈的強(qiáng)制冷CCD檢測器進(jìn)行全光譜成像，用于高靈敏化學(xué)發(fā)光檢測中。因為化學(xué)發(fā)光是信號積累的過程，如果使用掃描方式進(jìn)行成像，信號不是同步進(jìn)行采集成像，信號損失嚴(yán)重。

4結(jié)束語

綜上所述，APD、PMT及其混合型高靈敏度光電探測器的研發(fā)及應(yīng)用，能夠很好的解決和規(guī)避目前技術(shù)的弱點，并能夠從中驗證混合型高靈敏光電探測器及其設(shè)備的主要使用途徑和使用優(yōu)勢，期望能夠為本技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)提供有力理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉艷珍，李國輝，崔艷霞，冀婷，郝玉英.鈣鈦礦光電探測器的研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2019，56（01）：9-28.

[2]李亮，皮樂晶，李會巧，翟天佑.二維半導(dǎo)體光電探測器：發(fā)展、機(jī)遇和挑戰(zhàn)[J].科學(xué)通報，2017，62（27）：3134-3153.

[3]王燕，張銳.光電探測器特性在TDLAS氣體檢測中的影響[J].光學(xué)學(xué)報，2016，36（02）：288-294.

[4]趙軍.光電探測器等效電路模型和實驗研究[D].重慶大學(xué)，2015.

[5]宋登元，王小平.APD、PMT及其混合型高靈敏度光電探測器[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2000（03）：5-8+12.