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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