APD、PMT及其混合型高灵敏度光电探测器

杜思超

摘要：对于APD、PMT及其混合型高灵敏度光电探测器来说，其都属于单点探测设备，在测光谱过程中可借助于扫描的方式实现。为了了解APD、PMT两种高灵敏度光电探测器的使用原理，结构及主要工作特性，本文首先分析了两种探测器的基本原理及使用工作特征，介绍了如何提升它们的使用竞争力，并对相关研究新进展进行了探讨，期望能够给同领域技术研发人员提供一定技术和理论支撑。

关键词：APD、PMT;混合型;高灵敏度;光电探测器

引言

针对高灵敏度光电探测器（雪崩光电二极管，APD）和光电倍增管（PMT）在高新技术方面的应用看，其有很大的发展前景，例如使用在光谱仪、遥感测量及医学影像的诊断、军事侦察等方面都具有重要意义[1]。随着近几年相关领域技术发展能力及其竞争力的加快，APD与PMT之间竞争发展越来越激烈化，其中PMT可应用于蓝光、极高灵敏度和极低噪声等方面，另外，对应的光电倍增管还需要响应对应反应速度，持续实现信号的有效输出。这样的设计可优化二次发射的倍增，同时能够获取极低的噪音，主要可应用于光子计数及弱光的探测等方面。

1APD、PMT的工作原理及主要结构特征

APD主要指的是一种雪崩光电二极管结构，是在激光通信中进行使用的光敏元件，从使用原理上看，主要以硅或者锗为材料制成的光电二极管的P-N结上加上反向偏压后，射入到光被P-N结吸收以后所形成的光电流，经过加大处理以后，会对应产生近红外荧光的检测。从应用的优点上分析，APD检测器特征是具有低噪声、高速及高互相抗增益及灵敏度高的作用，主要可应用于可见光的红绿荧光及红外荧光检测中。在具体的应用中，APD因为其属于量子固态结构，量子的使用效率相对较高，因此也可被广泛应用[2]。

PMT属于光电倍增管，是光子计数器件中的主要应用产品，并且具有极高的灵敏度和超快时间的光探测器件。从使用原理上看，光电倍增是一种真空型的器件结构，其主要是由发射阴极及其聚焦的电极生成，当光照射到光阴极时，对应的光阴极会向着真空当中发射出对应的光电子，这样光电子就能够聚焦到电极系统中，电子倍增极，这些电子按照聚集的电场进入到倍增处理系统中，并通过进一步的二次发射，实现倍增的等效增大，然后再通过将其放大后的电子使用阳极收集装置进行信号的输出和应用。从优势上看，需采取使用二次倍增系统，将光电倍增管在对应的探测紫光、可见光与蓝光中，这样具有极高的灵敏度和低的噪音，另外光电倍增管还具有快速响应和成本造价低等优势。

2APD和PMT新的研究进展

2.1大光敏感区域面积的APD

典型的APD的光敏区域面积相对较小，直径仅为300μm左右，因此限制了对应的应用流程和趋势，使得APD在与PMT竞争体系中，最近大光敏区域的面积APD（LAAPD）有了较大的研究进展，其中美国AdvancedPhotonix公司采取了中子嬗变掺杂及其边缘斜削技术，所制备的APD直径能够达到最大20mm，在利用中子进行轰击Si原子使其发生嬗变的过程中变为磷原子[3]，进而生成了n型半导体的优点即掺杂均匀性，其中LAAPD的击穿电压要大于2kV，并且在可变光谱区域的量子效率会大于90%。

2.2位置敏感的PMT

对于位置敏感PMT的发明改进了PMT的使用空间分辨率，使得他们在医学领域中能够及时有效的诊断，并且在广泛的应用过程中，可选取使用打拿极或者交叉线形阳极处理，栅形打拿极位置敏感，由于栅形打与入射的光子在纵向重合的对应位置，使得二次电子运动的路径发生一定的偏转，并且电子几乎都能够回到与入射光子纵向相互重合的位置上，因此能够极大的限制了光电子的发散，对于提升空间分辨率，提升位置敏感程度等具有重要意义。

3APD、PMT及其混合型高灵敏度光电新型探测器

尽管APD和PMT都能够占据高灵敏度的光电探测应用市场，但是他们具备一定优势的同时也存在一定的弱势，其中PMT对应的增益相对较高，且在大的光敏感区域面积低的噪音等效功率要打，但是其量子的效率相对较低，仅能够在工作UV和可见光谱范围内，其中APD在某些使用过程中能够高效的克服PMT使用缺陷，例如量子使用效率相对较高，使用功耗低及工作的频谱范围大等，但是增益相对较低，仅仅能够在工作的过程中，使用UV和可见光谱范围内的应用途径[4]，APD在某些方面能够有效的克服PMT缺陷，例如量子效率相对较高，功耗较低，工作频率的使用范围较大等[5]，但是增益低和较高的NEP，因此人们希望能够有一种器件，能够综合实现APD和PMT之间的使用优势，弱化使用弱点等。此混合结构的动态范围相对较大，且增强了光电二极管的一种高量子效率，及其宽的工作范围，其中入射光子能够透过半透明型的窗口进行照射到对应的阴极上，并且对应的阴极材料主要包含有GaAs、GaAsP等，使得在电荷云聚集的过程中会导致PMT的響应，进而使得PMT典型的响应限制在105，现在商业的扫描成像系统仅有扫描一种检测检测方式，sapphire双模式多光谱激光成像系统的问世，打破了这样的格局，sapphire除了扫描成像方式外，标配了610万像素，大光圈的强制冷CCD检测器进行全光谱成像，用于高灵敏化学发光检测中。因为化学发光是信号积累的过程，如果使用扫描方式进行成像，信号不是同步进行采集成像，信号损失严重。

4结束语

综上所述，APD、PMT及其混合型高灵敏度光电探测器的研发及应用，能够很好的解决和规避目前技术的弱点，并能够从中验证混合型高灵敏光电探测器及其设备的主要使用途径和使用优势，期望能够为本技术的创新研发提供有力理论基础。

参考文献

[1]刘艳珍，李国辉，崔艳霞，冀婷，郝玉英.钙钛矿光电探测器的研究进展[J].激光与光电子学进展，2019，56（01）：9-28.

[2]李亮，皮乐晶，李会巧，翟天佑.二维半导体光电探测器：发展、机遇和挑战[J].科学通报，2017，62（27）：3134-3153.

[3]王燕，张锐.光电探测器特性在TDLAS气体检测中的影响[J].光学学报，2016，36（02）：288-294.

[4]赵军.光电探测器等效电路模型和实验研究[D].重庆大学，2015.

[5]宋登元，王小平.APD、PMT及其混合型高灵敏度光电探测器[J].半导体技术，2000（03）：5-8+12.