PMT(圖1)由光敏表面(光電陰極)、電子倍增器(dynodes)和收集電極(陽極)組成，這些電極位于真空玻璃或金屬外殼內。光進入輸入窗口并被光電陰極吸收。一個電子從陰極發射出來，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，當它與一個節點碰撞時，產生二次電子。這些次級電子依次被加速到下一個節點，這個過程不斷重復，直到電子云在陽極被收集。

PMT的增益可以通過以下表達式估算：

μ=電流放大(增益)

δ=倍增極的二次發射比

n=倍增極級數

對于二次發射比為8的9級PMT，電流放大約為10^7。大增益和低噪聲使PMT在許多應用中成為有吸引力的檢測器。然而，它并不是唯一擁有內部增益的設備。

硅光電二極管本質上是由一個正摻雜的P區和一個負摻雜的N區組成的PN結。在這兩者之間存在一個稱為耗盡區的中性電荷區域。當光進入該裝置時，晶體結構中的電子被激發。如果光的能量大于材料的帶隙能量，電子將進入導帶，在電子所在的價帶中產生空穴。這些電子-空穴對在整個裝置中產生。在耗盡區產生的粒子漂移到各自的電極上:N代表電子，P代表空穴。這導致正電荷在P層中積聚，負電荷在N層中積聚。電荷的數量與落在探測器上的光的數量成正比。如果將外部電路連接到P和N電極上，就會產生電流。這是光伏發電法。

在光導模式下，對光電探測器施加反向偏置。這增加了電極之間的電場強度和耗盡區的深度。優點是速度更快，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，設計用于高反向偏置電壓下工作。大的反向電壓在PN結處產生高電場。一些電子空穴對通過或在此場中產生獲得足夠的能量(大于帶隙能量)，以產生額外的電子空穴對。這個過程被稱為撞擊電離。如果新產生的電子-空穴對獲得足夠的能量，它們也會產生電子-空穴對。這被稱為雪崩倍增，是APD產生內部增益的機制。當檢測器與放大器結合使用時，內部增益是一個重要的屬性。

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，由并聯連接的蓋革模式APD組成(圖3)。SiPM的每個像素中的APD工作在其擊穿電壓以上，以增加內部增益。在這個過電壓下，APD是穩定的，直到一個電子進入雪崩區，導致雪崩區擊穿，APD成為導體。這被稱為蓋革放電。擊穿產生的電流大;因此，信號增益(>10^5)很大，因為單個電子產生的電流很大。

然而，一個觸發一次的裝置并不是一個非常有用的探測器，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串聯來完成的。當結擊穿時，大電流流過該電阻，導致橫跨電阻和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位。放電和復位循環被稱為蓋革操作模式。

圖3：硅光電倍增管(SiPM)的簡化結構

SiPM中的每個像素在檢測光子時都會輸出一個脈沖，因此每個像素的輸出之和構成SiPM的輸出。這允許計數單個光子或檢測多個光子的脈沖。當光子通量較低且光子到達的時間間隔長于一個像素的恢復時間時，SiPM將輸出相當于單個光電子的脈沖。當光子通量高或光子以短脈沖(脈沖寬度小于恢復時間)到達時，像素輸出將加起來并等于2個光電子或3個光電子脈沖。

審核編輯 黃宇