서론, 광자 계수형 선형 애벌랜치 광검출기

소개, 광자 계수 방식선형 애벌랜치 광검출기

광자 계수 기술은 광자 신호를 완전히 증폭하여 전자 장치의 판독 잡음을 극복하고, 약한 빛 조사 하에서 검출기 출력 전기 신호의 고유한 이산 특성을 이용하여 일정 시간 동안 검출기에서 출력되는 광자 수를 기록하고, 광자계 값에 따라 측정 대상에 대한 정보를 계산할 수 있습니다. 극미세 광 검출을 실현하기 위해 여러 국가에서 다양한 종류의 광자 검출 기능을 갖춘 기기들이 연구되어 왔습니다. 고체 애벌랜치 광다이오드(APD 광검출기APD(액티브 필드 디플렉터)는 내부 광전 효과를 이용하여 빛 신호를 감지하는 장치입니다. 진공 소자와 비교했을 때, 고체 소자는 응답 속도, 암전류, 전력 소비, 부피, 자기장 감도 등에서 뚜렷한 장점을 가지고 있습니다. 과학자들은 고체 APD 광자 계수 이미징 기술을 기반으로 연구를 진행해 왔습니다.

APD 광검출기 장치APD는 가이거 모드(GM)와 선형 모드(LM)의 두 가지 동작 모드를 가지며, 현재의 광자 계수 이미징 기술은 주로 가이거 모드 APD 소자를 사용합니다. 가이거 모드 APD 소자는 단일 광자 수준의 높은 감도와 수십 나노초의 빠른 응답 속도를 통해 높은 시간 정확도를 얻을 수 있습니다. 그러나 가이거 모드 APD는 검출기 데드 타임, 낮은 검출 효율, 큰 광학 크로스토크, 낮은 공간 해상도와 같은 문제점을 가지고 있어 높은 검출률과 낮은 오경보율 사이의 균형을 최적화하기 어렵습니다. 반면, 거의 잡음이 없는 고이득 HgCdTe APD 소자를 기반으로 하는 광자 계수기는 선형 모드로 동작하며, 데드 타임과 크로스토크 제약이 없고, 가이거 모드와 관련된 펄스 후처리 현상이 없으며, 퀀칭 회로가 필요 없고, 초고해상도 동적 범위와 넓고 가변적인 스펙트럼 응답 범위를 가지며, 검출 효율과 오경보율을 독립적으로 최적화할 수 있습니다. 이는 적외선 광자 계수 이미징의 새로운 응용 분야를 열어주며, 광자 계수 장치의 중요한 발전 방향이며, 천문 관측, 자유 공간 통신, 능동 및 수동 이미징, 간섭 무늬 추적 등에서 폭넓은 응용 전망을 가지고 있습니다.

HgCdTe APD 소자에서 광자 계수 원리

HgCdTe 소재 기반의 APD 광검출기는 넓은 파장 범위를 커버할 수 있으며, 전자와 정공의 이온화 계수가 매우 다릅니다(그림 1(a) 참조). 이 소자는 1.3~11 µm의 차단 파장 범위 내에서 단일 캐리어 증폭 메커니즘을 나타냅니다. 또한, 초과 잡음이 거의 없어(Si APD 소자의 초과 잡음 계수 FSi~2-3 및 III-V 계열 소자의 FIII-V~4-5와 비교, 그림 1(b) 참조) 이득 증가에 따른 신호 대 잡음비 감소가 거의 없어 이상적인 적외선 검출기입니다.눈사태 광검출기.

그림 1 (a) 수은 카드뮴 텔루라이드 소재의 충격 이온화 계수 비율과 Cd의 성분 x 사이의 관계; (b) 서로 다른 소재 시스템을 가진 APD 소자의 초과 잡음 계수 F 비교

광자 계수 기술은 열 잡음에서 광 신호를 디지털 방식으로 추출할 수 있는 새로운 기술로, 태양 전지에서 생성된 광전자 펄스를 분해하여 추출합니다.광검출기단일 광자를 수신한 후, 저조도 신호는 시간 영역에서 더 넓게 분산되기 때문에 검출기에서 출력되는 전기 신호 또한 자연스럽고 불연속적입니다. 이러한 저조도의 특성에 따라, 극히 미약한 빛을 검출하기 위해 펄스 증폭, 펄스 판별 및 디지털 계수 기술이 일반적으로 사용됩니다. 최신 광자 계수 기술은 높은 신호 대 잡음비, 높은 판별력, 높은 측정 정확도, 우수한 드리프트 방지, 우수한 시간 안정성 등 여러 장점을 가지고 있으며, 데이터를 디지털 신호 형태로 컴퓨터에 출력하여 후속 분석 및 처리를 가능하게 하는 등 다른 검출 방식과는 비교할 수 없는 이점을 제공합니다. 현재 광자 계수 시스템은 비선형 광학, 분자 생물학, 초고해상도 분광학, 천체 측광, 대기 오염 측정 등 저조도 신호의 획득 및 검출과 관련된 산업 측정 및 저조도 검출 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 수은 카드뮴 텔루라이드 애벌랜치 광검출기는 잡음이 거의 없고, 이득이 증가해도 신호 대 잡음비가 감소하지 않으며, 가이거 애벌랜치 소자와 관련된 데드 타임 및 펄스 후 제약이 없어 광자 계수 분야에 매우 적합하며, 향후 광자 계수 장치 개발의 중요한 방향입니다.