PMT(圖1)由光敏表面(光電陰極)、電子倍增器(dynodes)和收集電極(陽(yáng)極)組成，這些電極位于真空玻璃或金屬外殼內(nèi)。光進(jìn)入輸入窗口并被光電陰極吸收。一個(gè)電子從陰極發(fā)射出來(lái)，在外加電壓的作用下加速到第一陰極。電子被加速到足夠的電位，當(dāng)它與一個(gè)節(jié)點(diǎn)碰撞時(shí)，產(chǎn)生二次電子。這些次級(jí)電子依次被加速到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這個(gè)過程不斷重復(fù)，直到電子云在陽(yáng)極被收集。

PMT的增益可以通過以下表達(dá)式估算：

μ=電流放大(增益)

δ=倍增極的二次發(fā)射比

n=倍增極級(jí)數(shù)

對(duì)于二次發(fā)射比為8的9級(jí)PMT，電流放大約為10^7。大增益和低噪聲使PMT在許多應(yīng)用中成為有吸引力的檢測(cè)器。然而，它并不是唯一擁有內(nèi)部增益的設(shè)備。

硅光電二極管本質(zhì)上是由一個(gè)正摻雜的P區(qū)和一個(gè)負(fù)摻雜的N區(qū)組成的PN結(jié)。在這兩者之間存在一個(gè)稱為耗盡區(qū)的中性電荷區(qū)域。當(dāng)光進(jìn)入該裝置時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的電子被激發(fā)。如果光的能量大于材料的帶隙能量，電子將進(jìn)入導(dǎo)帶，在電子所在的價(jià)帶中產(chǎn)生空穴。這些電子-空穴對(duì)在整個(gè)裝置中產(chǎn)生。在耗盡區(qū)產(chǎn)生的粒子漂移到各自的電極上:N代表電子，P代表空穴。這導(dǎo)致正電荷在P層中積聚，負(fù)電荷在N層中積聚。電荷的數(shù)量與落在探測(cè)器上的光的數(shù)量成正比。如果將外部電路連接到P和N電極上，就會(huì)產(chǎn)生電流。這是光伏發(fā)電法。

在光導(dǎo)模式下，對(duì)光電探測(cè)器施加反向偏置。這增加了電極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度和耗盡區(qū)的深度。優(yōu)點(diǎn)是速度更快，電容更小，線性度更好;然而，暗電流變得更大。通常，PIN光電二極管和APD以這種方式工作。

APD(圖2)是一種專用的硅PIN光電二極管，設(shè)計(jì)用于高反向偏置電壓下工作。大的反向電壓在PN結(jié)處產(chǎn)生高電場(chǎng)。一些電子空穴對(duì)通過或在此場(chǎng)中產(chǎn)生獲得足夠的能量(大于帶隙能量)，以產(chǎn)生額外的電子空穴對(duì)。這個(gè)過程被稱為撞擊電離。如果新產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)獲得足夠的能量，它們也會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這被稱為雪崩倍增，是APD產(chǎn)生內(nèi)部增益的機(jī)制。當(dāng)檢測(cè)器與放大器結(jié)合使用時(shí)，內(nèi)部增益是一個(gè)重要的屬性。

圖2:雪崩光電二極管的橫截面

硅光電倍增管(SiPM)具有一組像素或微單元，由并聯(lián)連接的蓋革模式APD組成(圖3)。SiPM的每個(gè)像素中的APD工作在其擊穿電壓以上，以增加內(nèi)部增益。在這個(gè)過電壓下，APD是穩(wěn)定的，直到一個(gè)電子進(jìn)入雪崩區(qū)，導(dǎo)致雪崩區(qū)擊穿，APD成為導(dǎo)體。這被稱為蓋革放電。擊穿產(chǎn)生的電流大;因此，信號(hào)增益(>10^5)很大，因?yàn)閱蝹€(gè)電子產(chǎn)生的電流很大。

然而，一個(gè)觸發(fā)一次的裝置并不是一個(gè)非常有用的探測(cè)器，因此需要一種阻止擊穿或重置APD的方法。通常，這是通過將“淬火”電阻與APD串聯(lián)來(lái)完成的。當(dāng)結(jié)擊穿時(shí)，大電流流過該電阻，導(dǎo)致橫跨電阻和APD的電壓降。如果壓降足夠，APD電壓將降至擊穿電壓以下并復(fù)位。放電和復(fù)位循環(huán)被稱為蓋革操作模式。

圖3：硅光電倍增管(SiPM)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

SiPM中的每個(gè)像素在檢測(cè)光子時(shí)都會(huì)輸出一個(gè)脈沖，因此每個(gè)像素的輸出之和構(gòu)成SiPM的輸出。這允許計(jì)數(shù)單個(gè)光子或檢測(cè)多個(gè)光子的脈沖。當(dāng)光子通量較低且光子到達(dá)的時(shí)間間隔長(zhǎng)于一個(gè)像素的恢復(fù)時(shí)間時(shí)，SiPM將輸出相當(dāng)于單個(gè)光電子的脈沖。當(dāng)光子通量高或光子以短脈沖(脈沖寬度小于恢復(fù)時(shí)間)到達(dá)時(shí)，像素輸出將加起來(lái)并等于2個(gè)光電子或3個(gè)光電子脈沖。

審核編輯 黃宇