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PMT、MPPC、APD、PD原理与参数对比

本网页为。


针对多种类光电探测器的选型问题,本文将从多个方面来对比PMT、PD、APD、MPPC四种光电探测器的差异和优势。



工作原理对比


光电探测器

工作原理介绍

光电倍增管(PMT)


类型: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。



光电二极管(PD)


类型: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。



雪崩光电二极管(APD)


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。




硅光电倍增管

(MPPC/SiPM)


类型: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。




参数性能对比


1. 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,但是由于MPPC的暗计数率比较大,所以,如果是探测极微弱光,PMT的信噪比最优,MPPC仅次于PMT,接下来时APD,最后是PD。



结论:如果探测极微弱光,信噪比:PMT>MPPC>APD>PD。


2. 增益

增益是指光电探测器将光信号转换为电子信号后,对电子信号的放大能力。其中PMT是通过连续的倍增级实现的电子放大,放大能力能到107左右,MPPC仅次于PMT,放大能力能到106左右,APD能放大到102左右,PD不具备放大能力。


结论:增益对比,PMT≈107 >MPPC≈106 >APD ≈102,PD不具备增益能力。


3. 噪声特性

暗电流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,暗电流主要来源于器件的漏电阻和热电子发射;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。


4.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,其中PMT的响应最快,MPPC和APD次之,PD分为PN型和PIN型,PN型的响应慢,PIN型的响应很快。


结论:PMT>MPPC/APD;PD分为PN型和PIN型,PIN型>PN型。


5.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。其中PMT的工作电压需要上千伏,需要使用到高压电源,APD 的工作电压在100~500 V、MPPC工作电压在30~60 V、PD的工作电压最低,在0~5 V。


结论:PMT工作电压需要上千伏,需要使用到高压电源;APD≈100~500 V>MPPC≈30~60 V>PD最低在0~5 V。


6.探测面积

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


7.其他

除了以上的性能对比,还有其他的参数对比,可以参考下表:




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