在盖革模式下当光子进入APD像素时.PPT

International Photonics Laboratory * 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。 * 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 * 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 * 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。 * 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 * 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 * 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 * 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 * 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 * 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： * 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) * 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 International Photonics Laboratory