硅光电探测器的发展与应用

《硅光电探测器的发展与应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、万方数据第6期(总第169期)2011年12月机械工程与自动化MECHANlCALENGINEERING&AUTOMATIONNO．6Dec．文章编号：1672—6413(2011)06—0203·03硅光电探测器的发展与应用黄敏敏，朱兴龙(扬州大学机械工程学院，江苏扬州225127)摘耍：半导体光电探测器由于体积小、灵敏度商、响应速度快、易于集成，是最理想的光电探测器，典型的包括PIN光电二极管、雪崩二极管以及硅光电倍增管。论述了它们的工作原理，以及在光纤通信，传摩系统、高能物理、核医学等领域的广泛应用。关键词：硅光电倍增管，雪崩二极管；PIN光电二极管#光探测器

2、中围分类号：TN364．+1tTN382文献标识码z0引言光探测器是一种用来探测光或其他电磁辐射能量的装置，它把辐射能量转换成电流或电压，并从外部电路测量这些电流、电压值。通过测量这些输出响应，反过来可以测定相应的入射光强度或辐射强度。典型的光电探测器有光真空管(光电倍增管)、半导体光电二极管、半导体光导器件、热电偶等等。20世纪30年代时，人们对光的探测与研究用的是光电倍增真空管(PMT)，真空管内部机械结构部分制造复杂，体积大而且对电磁干扰非常敏感。硅光电倍增管不仅在辐射测量领域应用广泛，在医学领域也受到了人们的广泛关注，如正电子发射计算机断层扫描装置(Posi

3、tronEmissionTomography，PET)。PET是目前惟一可在活体上显示生物分子代谢、受体及神经介质活动的新型影像技术，但它缺乏对各断层面之间的扫描，而核磁共振成像(MagnetResonanceImaging，MRI)正好可以满足这一要求，它可以直接做出各种体层图像，不会产生CT检测中的伪影，无电离辐射，对机体没有不良影响。如果能把PET和MRI结合起来将会对医学研究和发展具有深远的意义。但是一直以来PET所使用的光探测器是PMT，PMT并不能在强磁场中工作，从而限制了MRI的发展，硅光电倍增管正好解决了这个问题，使得PET和MRI的结合成为可能。本

4、文将介绍几种典型的硅光电探测器以及它们的应用。1PIN光电二极管图1为PIN光电二极管的工作原理图。它是一个在p—n二极管之间加入一个轻掺杂的本征区的探测器。图1(c)显示了跨越两端的内部电场，电场强度随着离二极管表面距离的变化而变化。PIN光电二极管在本征区中的电场很强，当一个光子在这一区域被吸收时，光子能量转换给新的载流子(电子和空穴对)，这些新产生的载流子根据自身极性，在电场作用下，向不同方向漂移(电子朝向n区、空穴朝向P区)。如果外部电路再进行相连，此时就有光电流产生。由于PIN光电二极管有很宽的本征区域，因此有了一个较长的光波吸收区域和较快的时间响应。它有

5、很多应用，如衰减器、射频交换机和光纤系统中的探测器。其噪声主要是暗电流和光的离散光子产生的散粒噪声。2雪崩二极管(APD)图2为雪崩二极管的工作原理图。其中，h为普朗克常量，口为幅射电磁波频率，E为能带宽度。它本质上也是一个p—n二极管，与PIN光电二极管相比，它具有内部增益，增益～般为105～106，可以在吸收少量光子的情况下产生成百万的光电子。它对光子的吸收原理跟PIN光电二极管相似，但分两个步骤：①光子在吸收区域被吸收，受内电场的作用，电子飘向n+区，空穴飘向P+区；②电子在到达n+收稿日期；2011—05。031惨回日期l2011·06—20作者简介。黄敏敏

6、(1986-)，男-江苏苏州人，在读硕士研究生，主要从事半导体器件的研究．万方数据-204·机械工程与自动化2011年第6期区之前，必须要通过雪崩区间(倍增区域)，此区间的电场更强，其电场强度与所用材料及掺杂浓度有关。在此区域，电子被进一步加速，当电子具有足够高的能量并同材料内部共价键上的电子相撞时，根据康普顿原理，它传递了一部分能量，并使共价键上的电子离子化，产生了新的电子空穴对，这些新产生的粒子，反过来继续被强电场加速，当它们也拥有足够高的能量并发生碰撞时，进一步的离子化也就产生了，最后成百万的新载流子就形成了雪崩效应。a)PIN光电二级管结构图茼密度l』b)P

7、IN光电二级管的空M电荷密度分布图·，n收I。m～(c)PIN光电二级管的电场分布图图1PIN光电二极管的工作原理图雪崩二极管的增益与加载电压和温度的变化有着很明显的关系，一般操作时要求有稳定的电压源和恒定的温度。在光照下，雪崩二极管的噪声为探测器本身的暗电流噪声、光子散粒噪声、热噪声和外电路噪声。3硅光电倍增管(SiPM)图3为硅光电倍增管结构图，它是20世纪90年代由莫斯科工程物理研究院首先发明的，现在很多公司都在运用此技术。它同样是基于p—n结二极管原理的探测器，它将每个小尺寸的雪崩二极管即一个像素点组合和固定在同一块硅衬底上，而且都工作在比普通雪崩二极管