因为滨松光电探测器纷繁复杂的属性，很多客户在选型时总是容易被到底该选择PMT、MPPC（SiPM）、APD、PD而搞得晕头转向。今天这篇文章小编就从这四款光电产品的基本原理以及光灵敏度、增益、噪声特性、响应速度、工作电压、探测面积等基本参数来对比分析，为大家拨开“迷雾”，找到最适合各位的探测器类型。

一、PD、APD、MPPC（SiPM）、PMT的探测原理对比

1、PMT的工作原理

        PMT的英文全称为Photomultiplier Tube，简称PMT，中文名称为光电倍增管。

        在光电倍增管正常工作时，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。

PMT工作原理

光电倍增管的使用注意事项

（1）磁场

        磁场对光电倍增管的影响主要是影响电子的飞行轨迹，其中影响的大小，主要取决于磁场的方向。并且不同的光电倍增管结构受到的影响各不相同，一般而言，从阴极到第一倍增级的距离越长，光电倍增管就越容易受到影响，因此端窗型的光电倍增管和大口径的光电倍增管在使用时应该特别注意磁场的影响。

图1 与光电倍增管管轴垂直磁场的影响曲线

        其中，磁场方向的不同，对光电倍增管的影响各不相同，不同磁场方向的影响可以参考下图。

图2 不同磁场方向对光电倍增管输出的影响

        所以为了降低磁场对光电倍增管的影响，我们可以采取磁屏蔽。利用磁场在高导磁率物体内侧变弱的性质，可以得到一个较好的磁屏蔽效果，最简单的方法就是采用坡镆合金的套筒进行磁屏蔽。

        其中，磁屏蔽筒距离阴极面的距离，也会影响光电倍增管。具体影响可以参考下图。

磁屏蔽筒到阴极面之间的距离对阳极输出影响

        以上磁场对光电倍增管的影响都是在直流磁场中。对于在交流磁场中，如果磁场频率高时，会引起屏蔽度的下降，特别是在壁厚的区域屏蔽度下降会更明显，在1-10 KHz的高频磁场中，希望可以使用0.05-0.1毫米左右的磁屏蔽材料。因此，磁屏蔽筒的厚度设计必须兼顾饱和磁通密度和频率特性。

        如下图所示，是各种光电倍增管的磁特性以及使用磁屏蔽筒时的屏蔽效果。

        在使用磁屏蔽筒时会受到机械外力，造成里面光电倍增管的损坏。因此，在设计磁屏蔽筒时，屏蔽筒的直径要比光电倍增管的直径大一点，尽量将光电倍增管和屏蔽筒同轴心，可以使用绝缘的软带包裹光电倍增管然后封装在磁屏蔽筒中。

（2）电场

        当阴极对地处于负电位时，最好不要让有地电位的导体接触光电倍增管外壳，否则会干扰其电位稳定。如果使用金属屏蔽就会引起管内表面的放电，增加光电倍增管的暗电流，为了消除这一影响，建议和光电倍增管外壳接触的材料与阴极同电位，一般是采用侧管外壁涂覆导电层并加上电位的方式。下图就是电位对阴极电位变化时的暗电流变化情况，显而易见，对阴极的电位差越大，暗电流越大。

        另外，一般探头的外壳都是接地的，如果光电倍增管外壳周围有接地电位的导电物质，可能会导致暗电流的增加，但是这个影响会随着距离而变化。下图就是光电倍增管和接地电位之间距离与暗电流的变化情况，可以看出，如果距离大于4毫米以上，则暗电流基本没有变化。

        与普通的电子器件相比，光电倍增管更容易受到周围温度的影响。因此在使用过程中，需要严格控制温度，降低温度对光电倍增管使用的影响。温度主要影响光电倍增管的灵敏度和暗电流。温度对灵敏度的影响可以分为两个部分：对阴极灵敏度的影响和对倍增级灵敏度的影响。阴极灵敏度的温度特性既与波长有关，并且也与光阴极面的种类有关，且在长波限的临界波长附近温度系数的值从负到正有很大的变化。但是倍增级的温度特性几乎和波长、电压无关。

        在低温下使用透射型光电倍增管时，光阴极表面电阻的增加会导致出现阴极电流饱和效应，导致输出线性的减少。如下图所示：

        由于光电倍增管的阴极面材料使用的都是金属逸出功比较低的材料，所以温度对暗电流的影响比较大。尤其是在微弱光探测中，对光电倍增管进行冷却，降低暗电流是提高信噪比的最有效办法。如果一定要在高温下使用光电倍增管，我们推荐使用耐高温型的光电倍增管。

        光电倍增管的灵敏度即使是在室温下放置也会有些变化，主要是由于温度激活光阴极和倍增级面的碱金属移动所致，温度越高，灵敏度变化越快，所以尽可能在室温和室温以下保存。

（3）湿度

        湿度对光电倍增管的影响，主要会引起玻璃芯柱表面漏电流的增加，而且管脚表面的生锈也会导致接触不良，另外可能会引起透紫玻璃的透过率下降，所以必须要保存在干燥的地方。其次，管脚表面脏也会引起管脚生锈和漏电流的增加，所以不要直接用手接触玻璃芯柱、管脚、塑料管基的阳极管针周围，如果有污物，可以使用无水乙醇进行清洁。

（4）氦气

        光电倍增管是真空电子器件，由于氦气能够透过玻璃，导致管内气体的增加，导致暗电流的增加。同时，气压的变坏可能会引起放电，影响光电倍增管的寿命。将一个具有石英管壳的光电倍增管放在一个大气压的氦气中，大约经过30分钟，就可以看到后脉冲急剧增加，因而不能使用，所以要特别注意氦气对光电倍增管的影响，为了减少影响，最好将光电倍增管保存在无氦气的环境中。

（5）辐射

        当光电倍增管工作在强辐射场中，会引起各种辐照效应，影响光电倍增管的正常工作，辐射会导致窗材透过率的降低，使得灵敏度降低，其中，某些透紫外光窗材料经过辐照后，透过率会显著降低。同时，窗材也会因为辐照而产生切伦科夫辐射和荧光，导致本底噪声的增加。因此，如果是在辐照环境下使用光电倍增管，尽量添加屏蔽措施，降低影响。

（6）气压

        光电倍增管不仅可以使用在一个大气压的环境下，也可以使用在减压环境中，但是由于气压的变化可能会引起光电倍增管内部引线之间的放电。一般的光电倍增管的内部真空度为10的负5次方帕，所以为了不引起放电，引出管脚电极之间需要保持足够的距离。另外，光电倍增管外部的管基及管座的电极引线部分的设计也是考虑了在一个大气压及真空环境下都不会引起放电。但是，在100-1000帕气压下最容易放电，所以在这个范围内使用时，需要注意高压部分的设计和线缆的设计。

2、PD的工作原理

        PD的英文全称为Photo Diode，简称PD，中文名称为光电二极管。当光电二极管正常工作时，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。

3、MPPC（SiPM）的工作原理

        MPPC的英文全称为Multi-Pixel Photon Counter，因此滨松也称之为多像素光子计数器，国际上一般称呼为SiPM，也就是硅光电倍增管。MPPC（SiPM）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。

MPPC（SiPM）的工作原理

（1）光子探测效率

        光子探测效率指的是一定时间内器件探测到的光子数与入射到器件表面的光子数的百分比。MPPC（SiPM）由多个APD单元组成，单元与单元间存在间隙，而光子打到这个区域不会引起雪崩，通常叫做死区，这就导致了有效探测面积会小于MPPC（SiPM）总面积。量子效率QE是指当光子进入光敏区域后，会有一定的概率转换成电子空穴对，这个概率就是量子效率，量子效率的大小则取决于入射光子的波长。初级电子空穴对并不一定能够100%的引发雪崩，这个概率就是雪崩概率。一般来讲，内电场越大，雪崩概率就越大。

（2）暗计数

        MPPC（SiPM）的暗计数是指在正常工作偏压下，将MPPC放置在黑暗环境中，并且没有射线照射的情况下，由于Si材料内载流子的热激发等原因引起的计数，我们把单位时间内发生1 p.e.及以上的波形计数定义为暗计数率。

（3）信噪比

        信噪比指的是信号与噪声的比值，信噪比随着光信号的探测、放大、读取而逐级降低，信噪比大于1才能系统中提取有效信息，优良的信噪比通常大于10。单位时间内入射光子数越多，信噪比越大。

MPPC参数联系图

4、APD的工作原理

APD的英文全称为Avalanche Photo Diode，简称APD，中文名称为雪崩光电二极管，属于半导体光电探测器。

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。

二、PD、APD、MPPC（SiPM）、PMT的参数对比

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。如果探测极微弱光，信噪比的关系是：PMT＞MPPC（SiPM）＞APD＞PD。

2、增益

        增益是指光电探测器将光信号转换为电信号后，对电子信号的放大能力。PMT是通过连续的倍增级实现的电子放大。增益对比的关系是：PMT≈10^7 ＞MPPC（SiPM）≈10^6  ＞APD≈10^2，PD不具备增益能力。

3、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。响应速度的对比关系是：PMT＞MPPC（SiPM）/APD，PD分为PN型和PIN型，PIN型＞PN型。

4、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。PMT工作电压需要上千伏，需要使用到高压电源。APD 工作电压在100-500 V，MPPC（SiPM）工作电压在30-60 V，PD的工作电压最低，为0-5 V。

5、探测面积

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

6、噪声

        暗噪声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，暗噪声主要来源于器件的漏电流和热电子发射。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。