光探测器如何选择？PMT、MPPC、APD、PD性能对比

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光探测器如何选择？PMT、MPPC、APD、PD性能对比 [复制链接]

因为光电探测器纷繁复杂的属性，很多客户在选型时总是容易被到底该选择PMT、MPPC、APD、PD而搞得晕头转向。今天这篇文章小编就从这四款光电产品的基本原理以及光灵敏度、增益、噪声特性、响应速度、工作电压、探测面积等基本参数来对比分析，为大家拨开“迷雾”，找到最适合各位的探测器类型。

                                                  图1 4款光电探测器展示

 

4款探测器原理对比

我们先简单复习一下这4款光电探测器的工作原理。

PMT工作原理

PMT：光电倍增管（Photomultiplier Tube），属于真空电子器件。

工作原理：光阴极面受到光照后由于光电效应释放出光电子，产生的电子进入倍增级中，实现连续的倍增，进而实现电子的放大，最后通过阳极输出电流信号。

 

图2 PMT工作原理

PD工作原理

PD：光电二极管（ Photo Diode），属于半导体光电探测器。

工作原理：当半导体中的PN结受到光照射，且入射光能量高于光电二极管的带隙能时，会产生电子和空穴，其中在内部电场的驱动下，电子和空穴按相反方向各自移动，形成了光电流。

图3 PD工作原理

APD工作原理

APD：雪崩光电二极管（Avalanche Photo Diode），属于半导体光电探测器。

工作原理：APD的光电流和PD的光电流产生机制相同，通过给PN结施加反向电压，光生载流子碰撞晶格，发生电离，产生新的电子空穴对，类似于“雪崩”效应（即光电流成倍地激增的现象）。雪崩倍增效应使得APD具有高的灵敏度，可以探测微弱的光。

图4 APD工作原理

MPPC工作原理

MPPC：多像素光子计数器（Multi-Pixel Photon Counter），属于半导体光电探测器。

工作原理：MPPC是一种由多个工作在盖革模式的APD组成的光子计数型器件，在盖革模式下，APD的反向电压高于击穿电压。即使输入光极弱，也会出现输出饱和（盖革放电）。为停止盖革放电并探测下一个光子，需要降低APD外部电路的工作电压。通过APD串联淬灭电阻的方式可以终止APD的盖革放电，从而快速停止APD中的雪崩倍增，实现微弱光信号的探测和放大。

图5 MPPC工作原理

 

4款探测器参数对比

接下来通过对光灵敏度、增益、噪声特性、响应速度、工作电压、探测面积等参数性能对比分析，帮助大家进一步做好探测器的选型。

光灵敏度

光灵敏度是指光电探测器对光信号的感知能力，其中PMT和MPPC均能够实现对单个光子的探测。

如果探测极微弱光，

信噪比：PMT＞MPPC＞APD＞PD

图6 光灵敏度对比

增益

增益是指光电探测器将光信号转换为电信号后，对电子信号的放大能力。PMT是通过连续的倍增级实现的电子放大。

增益对比，

PMT≈10⁷ ＞MPPC≈10⁶  ＞APD≈10²  

PD不具备增益能力

响应速度

光电探测器的响应速度通常用上升时间或者截止频率来描述。

PMT＞MPPC\APD；

PD分为PN型和PIN型，PIN型＞PN型

工作电压

工作电压是指光电探测器在工作时所需要的工作电压。

PMT工作电压需要上千伏，需要使用到高压电源；

APD 工作电压在100-500 V；

MPPC工作电压在30-60 V；

PD的工作电压最低在0-5 V。

探测面积

光电探测器的探测面积也是影响探测效率的主要因素，其中如果对比单个光电探测器的面积大小。

PMT的面积是最大的，目前可以做到20英寸；

PD、APD、MPPC受噪声和带宽的影响，一般在几毫米量级，需要大面积探测的，可以选择阵列产品，或者进行定制。

噪声

暗噪声是指光电探测器在没有光入射时，由于器件本身的原因导致的电流输出。

PMT是真空电子器件，暗噪声主要来源于器件的漏电流和热电子发射；

PD、APD、MPPC都属于半导体器件，暗噪声来源主要是暗电流的散粒噪声和分流电阻的热噪声。

 

除了以上的性能对比，还有其他的参数对比，可以参考下表。

图7 参数性能对比