IEC 62088:2001

Nuclear instrumentation - Photodiodes for scintillation detectors - Test procedures

Establishes standard test procedures for photodiodes used in scintillation detectors and defines the parameters which shall be provided by the supplier for each type of photodiode.

Instrumentation nucléaire - Photodiodes pour détecteurs à scintillation - Méthodes d'essai

Etablit des méthodes d'essai normalisées pour les photodiodes utilisées dans les détecteurs à scintillation et définit les paramètres à fournir par le fabricant pour chaque type de photodiode.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 10-Jun-2001
• ICS: 27.120.01 - Nuclear energy in general
• Technical Committee: TC 45 - Nuclear instrumentation
• Drafting Committee: WG 9 - TC 45/WG 9
• Current Stage: PPUB - Publication issued
• Start Date: 11-Jun-2001
• Completion Date: 30-Jun-2001

Overview

IEC 62088:2001, titled Nuclear Instrumentation - Photodiodes for Scintillation Detectors - Test Procedures, is a crucial international standard established by the International Electrotechnical Commission (IEC). It provides standardized test procedures for photodiodes used in scintillation detectors, essential components in nuclear instrumentation. The document specifies the physical, electrical, and optical parameters that manufacturers must provide for each photodiode type, ensuring consistent quality and performance evaluation.

This standard is fundamental for labs and manufacturers working with scintillation detection systems, facilitating interoperability, accurate performance benchmarking, and reliable instrumentation in nuclear measurement applications.

Key Topics

• Scope and Objective
  Defines the test protocols for photodiodes that detect scintillation light, which is emitted when ionizing radiation interacts with scintillating materials.

• Physical Characteristics

  • Active area measurement (surface area sensitive to light)
  • Window characteristics influencing light transmission

• Electrical Characteristics

  • Capacitance and leakage current (I_r) assessments
  • Current-voltage (I-U) characteristics and their temperature dependence
  • Rise time measurements, crucial for temporal resolution
  • Gain measurement for avalanche photodiodes (APDs) and temperature effects on gain
  • Noise and resolution testing to establish signal quality and detector sensitivity

• Optical Characteristics

  • Quantum efficiency (η), indicating the effectiveness of converting incident photons into electrical signals
  • Responsivity and spectral response, defining photodiode sensitivity over different wavelengths
  • Noise-equivalent power (NEP), describing the minimum detectable optical power due to noise

• Technical Documentation Requirements
  Suppliers must provide detailed data sheets including all relevant parameters as per IEC 62088 to promote transparency and technical accuracy.

Applications

Photodiodes compliant with IEC 62088 are primarily used in:

• Nuclear Radiation Detection
  Scintillation detectors incorporating these photodiodes are widely employed in detecting gamma rays, X-rays, and charged particles for applications in:

  • Nuclear power plants
  • Radiation safety monitoring
  • Medical imaging (e.g., PET scanners)
  • Environmental radiation assessment
  • Scientific research in particle and nuclear physics

• Industrial and Scientific Instrumentation
  Ensures precise and reliable measurements in fields where ionizing radiation measurement is critical.

• Development of Scintillation Detectors
  Standardized testing promotes improved designs of scintillation detection systems using silicon-based photodiodes instead of traditional photomultiplier tubes (PMTs), benefiting from advances in low-noise, large-area photodiodes.

Related Standards

• IEC 60034 Series
  For general electrical machinery standardization, relevant for devices integrating photodiode detectors with electromechanical components.

• ISO/IEC Directives, Part 3
  Guidelines followed in drafting IEC 62088 to maintain cohesive and internationally accepted documentation standards.

• Other IEC Standards on Nuclear Instrumentation
  These may include standards on scintillators themselves, electronics for signal processing, and radiation safety protocols.

---

Keywords: IEC 62088, photodiodes, scintillation detectors, nuclear instrumentation, test procedures, quantum efficiency, leakage current, avalanche photodiodes, noise-equivalent power, radiation detection standards, scintillation photodiode testing.

Standards Content (Sample)

NORME CEI
INTERNATIONALE IEC
INTERNATIONAL
Première édition
STANDARD
First edition
2001-06
Instrumentation nucléaire –
Photodiodes pour détecteurs à scintillation –
Méthodes d'essai
Nuclear instrumentation –
Photodiodes for scintillation detectors –
Test procedures
Numéro de référence
Reference number
CEI/IEC 62088:2001
Numérotation des publications Publication numbering
Depuis le 1er janvier 1997, les publications de la CEI As from 1 January 1997 all IEC publications are
sont numérotées à partir de 60000. Ainsi, la CEI 34-1 issued with a designation in the 60000 series. For
devient la CEI 60034-1. example, IEC 34-1 is now referred to as IEC 60034-1.
Editions consolidées Consolidated editions
Les versions consolidées de certaines publications de la The IEC is now publishing consolidated versions of its
CEI incorporant les amendements sont disponibles. Par publications. For example, edition numbers 1.0, 1.1
exemple, les numéros d’édition 1.0, 1.1 et 1.2 indiquent and 1.2 refer, respectively, to the base publication,
respectivement la publication de base, la publication de the base publication incorporating amendment 1 and
base incorporant l’amendement 1, et la publication de the base publication incorporating amendments 1
base incorporant les amendements 1 et 2. and 2.
Informations supplémentaires Further information on IEC publications
sur les publications de la CEI
Le contenu technique des publications de la CEI est The technical content of IEC publications is kept
constamment revu par la CEI afin qu'il reflète l'état under constant review by the IEC, thus ensuring that
actuel de la technique. Des renseignements relatifs à the content reflects current technology. Information
cette publication, y compris sa validité, sont dispo- relating to this publication, including its validity, is
nibles dans le Catalogue des publications de la CEI available in the IEC Catalogue of publications
(voir ci-dessous) en plus des nouvelles éditions, (see below) in addition to new editions, amendments
amendements et corrigenda. Des informations sur les and corrigenda. Information on the subjects under
sujets à l’étude et l’avancement des travaux entrepris consideration and work in progress undertaken by the
par le comité d’études qui a élaboré cette publication, technical committee which has prepared this
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• Catalogue des publications de la CEI • Catalogue of IEC publications
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(www.iec.ch/catlg-f.htm) vous permet de faire des (www.iec.ch/catlg-e.htm) enables you to search
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• IEC Just Published
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NORME CEI
INTERNATIONALE IEC
INTERNATIONAL
Première édition
STANDARD
First edition
2001-06
Instrumentation nucléaire –
Photodiodes pour détecteurs à scintillation –
Méthodes d'essai
Nuclear instrumentation –
Photodiodes for scintillation detectors –
Test procedures
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Q
PRICE CODE
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– 2 – 62088  CEI:2001
SOMMAIRE
AVANT-PROPOS.4
INTRODUCTION.6
1 Domaine d'application et objet.8
2 Généralités.8
3 Références normatives.10
4 Définitions, symboles et abréviations.10
4.1 Définitions .10
4.2 Symboles et abréviations .12
5 Caractéristiques physiques.14
5.1 Surface utile, A.14
5.2 Fenêtre .18
6 Caractéristiques électriques .18
6.1 Généralités.18
6.2 Capacité.18
6.3 Courant de fuite, I , et caractéristique courant – tension, I(U) .18
r
6.3.1 Mesure .18
6.3.2 Variation avec la température .18
6.4 Temps de montée.20
6.5 Préamplificateurs et amplificateurs utilisés avec des détecteurs à scintillation
à photodiode .20
6.6 Mesures du bruit et de la résolution.20
6.7 Gain des photodiodes à avalanche (G).20
6.7.1 Généralités.20
6.7.2 Mesure .20
6.7.3 Variation du gain avec la température.26
7 Caractéristiques optiques .26
7.1 Généralités.26
7.2 Efficacité quantique (η) .26
7.3 Sensibilité énergétique (s).28
7.4 Réponse spectrale .28
7.5 Puissance équivalente de bruit.32
8 Spécifications générales et notice technique .32

62088  IEC:2001 – 3 –
CONTENTS
FOREWORD.5
INTRODUCTION.7
1 Scope and object.9
2 General .9
3 Normative references .11
4 Definitions, symbols and abbreviations .11
4.1 Definitions .11
4.2 Symbols and abbreviations.13
5 Physical characteristics .15
5.1 Active area, A.15
5.2 Window .19
6 Electrical characteristics.19
6.1 General .19
6.2 Capacitance .19
6.3 Leakage current, I , and current – voltage characteristic, I(U).19
r
6.3.1 Measurement.19
6.3.2 Temperature dependence.19
6.4 Rise time.21
6.5 Preamplifiers and amplifiers used with photodiode scintillation detectors.21
6.6 Noise and resolution measurements.21
6.7 Gain of avalanche photodiodes (G) .21
6.7.1 General .21
6.7.2 Measurement.21
6.7.3 Temperature dependence of the gain .27
7 Optical characteristics .27
7.1 General .27
7.2 Quantum efficiency (η) .27
7.3 Responsivity (s).29
7.4 Spectral response .29
7.5 Noise-equivalent power .33
8 General requirements – Data sheet .33

– 4 – 62088  CEI:2001
COMMISSION ÉLECTROTECHNIQUE INTERNATIONALE
___________
INSTRUMENTATION NUCLÉAIRE –
Photodiodes pour détecteurs à scintillation –
Méthodes d’essai
AVANT-PROPOS
1) La CEI (Commission Électrotechnique Internationale) est une organisation mondiale de normalisation
composée de l'ensemble des comités électrotechniques nationaux (Comités nationaux de la CEI). La CEI a
pour objet de favoriser la coopération internationale pour toutes les questions de normalisation dans les
domaines de l'électricité et de l'électronique. A cet effet, la CEI, entre autres activités, publie des Normes
internationales. Leur élaboration est confiée à des comités d'études, aux travaux desquels tout Comité national
intéressé par le sujet traité peut participer. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec la CEI, participent également aux travaux. La CEI collabore étroitement
avec l'Organisation Internationale de Normalisation (ISO), selon des conditions fixées par accord entre les
deux organisations.
2) Les décisions ou accords officiels de la CEI concernant les questions techniques représentent, dans la mesure
du possible, un accord international sur les sujets étudiés, étant donné que les Comités nationaux intéressés
sont représentés dans chaque comité d’études.
3) Les documents produits se présentent sous la forme de recommandations internationales. Ils sont publiés
comme normes, spécifications techniques, rapports techniques ou guides et agréés comme tels par les
Comités nationaux.
4) Dans le but d'encourager l'unification internationale, les Comités nationaux de la CEI s'engagent à appliquer de
façon transparente, dans toute la mesure possible, les Normes internationales de la CEI dans leurs normes
nationales et régionales. Toute divergence entre la norme de la CEI et la norme nationale ou régionale
correspondante doit être indiquée en termes clairs dans cette dernière.
5) La CEI n’a fixé aucune procédure concernant le marquage comme indication d’approbation et sa responsabilité
n’est pas engagée quand un matériel est déclaré conforme à l’une de ses normes.
6) L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments de la présente Norme internationale peuvent faire
l’objet de droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. La CEI ne saurait être tenue pour
responsable de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et de ne pas avoir signalé leur existence.
La Norme internationale CEI 62088 a été établie par le comité d'études 45 de la CEI:
Instrumentation nucléaire.
Le texte de cette norme est issu des documents suivants:
FDIS Rapport de vote
45/492/FDIS 45/497/RVD
Le rapport de vote indiqué dans le tableau ci-dessus donne toute information sur le vote ayant
abouti à l'approbation de cette norme.
Cette publication a été rédigée selon les Directives ISO/CEI, Partie 3.
Le comité a décidé que le contenu de cette publication ne sera pas modifié avant 2005.
A cette date, la publication sera
• reconduite;
• supprimée;
• remplacée par une édition révisée, ou
• amendée.
62088  IEC:2001 – 5 –
INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION
___________
NUCLEAR INSTRUMENTATION –
Photodiodes for scintillation detectors –
Test procedures
FOREWORD
1) The IEC (International Electrotechnical Commission) is a worldwide organization for standardization comprising
all national electrotechnical committees (IEC National Committees). The object of the IEC is to promote
international co-operation on all questions concerning standardization in the electrical and electronic fields. To
this end and in addition to other activities, the IEC publishes International Standards. Their preparation is
entrusted to technical committees; any IEC National Committee interested in the subject dealt with may
participate in this preparatory work. International, governmental and non-governmental organizations liaising
with the IEC also participate in this preparation. The IEC collaborates closely with the International
Organization for Standardization (ISO) in accordance with conditions determined by agreement between the
two organizations.
2) The formal decisions or agreements of the IEC on technical matters express, as nearly as possible, an
international consensus of opinion on the relevant subjects since each technical committee has representation
from all interested National Committees.
3) The documents produced have the form of recommendations for international use and are published in the form
of standards, technical specifications, technical reports or guides and they are accepted by the National
Committees in that sense.
4) In order to promote international unification, IEC National Committees undertake to apply IEC International
Standards transparently to the maximum extent possible in their national and regional standards. Any
divergence between the IEC Standard and the corresponding national or regional standard shall be clearly
indicated in the latter.
5) The IEC provides no marking procedure to indicate its approval and cannot be rendered responsible for any
equipment declared to be in conformity with one of its standards.
6) Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this International Standard may be the subject
of patent rights. The IEC shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
International Standard IEC 62088 has been prepared by IEC technical committee 45: Nuclear
instrumentation.
The text of this standard is based on the following documents:
FDIS Report on voting
45/492/FDIS 45/497/RVD
Full information on the voting for the approval of this standard can be found in the report on
voting indicated in the above table.
This publication has been drafted in accordance with the ISO/IEC Directives, Part 3.
The committee has decided that the contents of this publication will remain unchanged until
2005. At this date, the publication will be
• reconfirmed;
• withdrawn;
• replaced by a revised edition, or
• amended.
– 6 – 62088  CEI:2001
INTRODUCTION
Un détecteur à scintillation à photodiode est un dispositif où une photodiode semiconductrice
(en général une PD silicium) est utilisée pour détecter les scintillations lumineuses produites
dans un scintillateur (en général un cristal) lorsque des rayonnements incidents (par exemple
particules chargées, rayonnements gamma et X) y déposent de l'énergie (voir figure 1).
Les photomultiplicateurs (PM) sont communément utilisés à cette fin depuis des décennies,
mais avec l'apparition récente de photodiodes à faible bruit et de surface relativement grande,
ces dernières concurrencent les photomultiplicateurs dans un nombre croissant d'applica-
tions, grâce à certaines caractéristiques spécifiques:
– faible volume,
– insensibilité aux champs magnétiques,
– basse tension de polarisation et puissance consommée très faible,
– résistance aux chocs comparativement supérieure.

62088  IEC:2001 – 7 –
INTRODUCTION
A photodiode scintillation detector is a device which employs a semiconductor photodiode
(generally a silicon PD) for the detection of scintillation light produced in a scintillator
(generally a crystal) when incident radiation (i.e. charged particles, gamma-rays, X-rays)
deposit energy in it (see figure 1).
Photomultiplier tubes (PMT) have been commonly used for this purpose for decades, but with
the recent emergence of low noise and relatively large area photodiodes, the latter are
competing with photomultipliers in an increasing number of applications, taking advantage of
some intrinsic features:
–low volume,
– insensitivity to magnetic fields,
– low bias voltage and very low power consumption,
– comparatively higher shock resistance.

– 8 – 62088  CEI:2001
INSTRUMENTATION NUCLÉAIRE –
Photodiodes pour détecteurs à scintillation –
Méthodes d’essai
1 Domaine d'application et objet
Cette Norme internationale s'applique aux photodiodes solides (PD) et aux mosaïques de
photodiodes solides (PDA) utilisées dans les détecteurs à scintillation ou dans les détecteurs
Chérenkov. Les photodiodes à avalanche (APD) sont aussi couvertes par les méthodes
d'essai préconisées dans cette norme, mais elles requièrent des essais spécifiques
supplémentaires qui y sont également inclus.
Tous les essais décrits dans cette norme ne sont pas obligatoires, mais il convient que les
essais utilisés pour spécifier les performances soient réalisés conformément aux procédures
indiquées.
Le but de cette norme est d’établir des méthodes d’essai normalisées pour les photodiodes
utilisées dans les détecteurs à scintillation et de définir les paramètres à fournir par le
fabricant pour chaque type de photodiode.
2 Généralités
Les photodiodes silicium sont disponibles commercialement et sont communément utilisées
dans les détecteurs à scintillation. Mais leur réponse énergétique qui est maximale vers
900 nm est mal adaptée aux maxima d'émission des scintillateurs habituels, situés à des
longueurs d'onde plus courtes (NaI(Tl), CsI(Tl), BGO, CdWO , ZnSe(Te)). Des recherches
sont en cours pour développer des photodiodes à partir de semiconducteurs à bande interdite
plus large ou de scintillateurs émettant à des longueurs d'onde plus grandes.
Les détecteurs à scintillation à photodiode n'ont pas d'amplification interne (à l'exception des
APD) et il est nécessaire de les coupler à des préamplificateurs à faible bruit similaires à ceux
utilisés avec les détecteurs semiconducteurs. Le bruit de l'ensemble photodiode-pré-
amplificateur limite son utilisation en spectrométrie des rayonnements gamma de faible
énergie et des rayons X. Ce bruit est dominé par le bruit série dû à la capacité de la PD, qui
croît avec sa surface, et par le bruit parallèle dû au courant de fuite de la PD et à la
résistance d'entrée du préamplificateur. Afin d'optimiser l'ensemble photodiode-préampli-
ficateur, ce dernier est parfois intégré avec la PD. Dans ce cas, certains des essais décrits
ci-dessous peuvent être difficile à mettre en œuvre.
Les photodiodes solides peuvent aussi être utilisées comme détecteurs semiconducteurs à
ionisation directe, mais la présente norme ne s'applique pas à cette utilisation qui est déjà
couverte par la CEI 60333.
Cette norme n’est pas applicable aux photorécepteurs hybrides basés sur la technologie des
tubes à vide, avec une photocathode conventionnelle, un champ électrique accélérateur et un
dispositif de détection à état solide.

62088  IEC:2001 – 9 –
NUCLEAR INSTRUMENTATION –
Photodiodes for scintillation detectors –
Test procedures
1 Scope and object
This International Standard applies to solid-state photodiodes (PD) and solid-state photodiode
arrays (PDA) used in scintillation detectors or in Cherenkov detectors. Avalanche photodiodes
(APD) are also covered by the test methods recommended in this standard, but they need
some additional specific tests also described in this standard.
Not all tests described in this standard are mandatory, but tests that are used to specify
performance should be carried out in accordance with the procedures described herein.
The intent of this standard is to establish standard test procedures for photodiodes used in
scintillation detectors and to define the parameters which shall be provided by the supplier for
each type of photodiode.
2 General
Silicon photodiodes are readily available and widely used in scintillation detection. However,
their peak responsivity, around 900 nm, does not match the maximum emission at shorter
wavelengths of usual scintillators (NaI(Tl), CsI(Tl), BGO, CdWO , ZnSe(Te)). Research is
under way to develop photodiodes from higher bandgap semiconductors or scintillators with
longer wavelength light emission.
Photodiode scintillation detectors have no internal amplification (except in the case of APDs)
and need therefore to be coupled to low noise preamplifiers similar to those used with
semiconductor detectors. The noise of the photodiode/preamplifier combination limits its use
in low energy gamma ray and X-ray spectrometry. This noise is dominated by the series noise
due to the capacitance of the PD, which increases with its area, and by the parallel noise due
to the leakage current and the input resistance of the preamplifier. In order to optimize the
combination photodiode/preamplifier, the latter is sometimes integrated with the PD. In such a
case, some of the tests described hereinafter may be difficult to perform.
The solid-state photodiodes can also be used as direct ionization semiconductor detectors,
but the present standard does not apply to this application which is already covered by
IEC 60333.
This standard does not apply to hybrid photodetectors, which are vacuum tubes with a
conventional photocathode, an accelerating electric field and a solid state device.

– 10 – 62088  CEI:2001
Scintillateur
Analyseur
Photodiode
Amplificateur
d'amplitude
Polarisation
Préamplificateur
de charge
IEC  482/01
Figure 1 – Schéma d'un système avec détecteur à scintillation à photodiode
3 Références normatives
Les documents normatifs suivants contiennent des dispositions qui, par suite de la référence
qui y est faite, constituent des dispositions valables pour la présente Norme internationale.
Pour les références datées, les amendements ultérieurs ou les révisions de ces publications
ne s’appliquent pas. Toutefois, les parties prenantes aux accords fondés sur la présente
Norme internationale sont invitées à rechercher la possibilité d'appliquer les éditions les plus
récentes des documents normatifs indiqués ci-après. Pour les références non datées, la
dernière édition du document normatif en référence s’applique. Les membres de la CEI et de
l'ISO possèdent le registre des Normes internationales en vigueur.
CEI 60050(731):1991, Vocabulaire Electrotechnique International (VEI) – Chapitre 731:
Télécommunications par fibres optiques
CEI 60050(845):1987, Vocabulaire Electrotechnique International (VEI) – Chapitre 845:
Eclairage
CEI 60333:1993, Instrumentation nucléaire – Détecteurs semiconducteurs pour particules
chargées – Méthodes d'essai
CEI 61151:1992, Instrumentation nucléaire – Amplificateurs et préamplificateurs utilisés avec
des détecteurs de rayonnements ionisants – Méthodes d'essais
4 Définitions, symboles et abréviations
4.1 Définitions
Pour les besoins de la présente Norme internationale, les définitions suivantes sont
applicables.
4.1.1
photodiode à avalanche
photodiode fonctionnant avec une force électromotrice de polarisation, de telle sorte que le
courant photoélectrique primaire subit une amplification par avalanche à la jonction
[VEI 845-05-40]
62088  IEC:2001 – 11 –
Scintillator
Pulse height
Photodiode
Amplifier
analyzer
Bias supply
Charge
preamplifier
IEC  482/01
Figure 1 – Block diagram of a photodiode scintillation detector system
3 Normative references
The following normative documents contain provisions, which, through reference in this text,
constitute provisions of this International Standard. For dated references, subsequent
amendments to, or revisions of, any of these publications do not apply. However, parties to
agreements based on this International Standard are encouraged to investigate the possibility
of applying the most recent editions of the normative documents indicated below. For undated
references, the latest edition of the normative document referred to applies. Members of IEC
and ISO maintain registers of currently valid International Standards.
IEC 60050(731):1991, International Electrotechnical Vocabulary – Chapter 731: Optical fibre
communication
IEC 60050(845):1987, International Electrotechnical Vocabulary – Chapter 845: Lighting
IEC 60333:1993, Nuclear instrumentation – Semiconductor charged-particle detectors – Test
procedures
IEC 61151:1992, Nuclear instrumentation – Amplifiers and preamplifiers used with detectors
of ionization radiation – Test procedures
4 Definitions, symbols and abbreviations
4.1 Definitions
For the purpose of this International Standard, the following definitions apply.
4.1.1
avalanche photodiode (APD)
photodiode operating with a bias electromotive force such that the primary photocurrent
undergoes amplification through avalanche breakdown at the junction
[IEV 845-05-40]
– 12 – 62088  CEI:2001
4.1.2
puissance équivalente de bruit (d’un photodétecteur)
valeur de la puissance rayonnante à l'entrée d'un photodétecteur qui donne à la sortie un
rapport signal sur bruit égal à l’unité, pour une longueur d'onde, une fréquence de modulation
et une bande passante équivalente de bruit spécifiées
[VEI 731-06-40]
4.1.3
photocourant (courant photoélectrique) (I )
ph
partie du courant de sortie d'un récepteur photoélectrique qui est produite par le rayonnement
incident
[VEI 845-05-52]
4.1.4
photodiode
récepteur photoélectrique dans lequel un courant photoélectrique est produit par l'absorption
d’un rayonnement optique au voisinage d'une jonction p-n entre deux semiconducteurs ou
d'une jonction entre un semiconducteur et un métal
[VEI 845-05-39]
4.1.5
sensibilité (d’un récepteur) (s)
quotient de la réponse Y du récepteur par son excitation X (s =Y/X)
[VEI 845-05-54]
4.1.6
réponse spectrale
sensibilité fonction de la longueur d'onde
NOTE La sensibilité est en général exprimée en ampères par watt et la longueur d'onde en nanomètres.
4.2 Symboles et abréviations
A surface active
APD photodiode à avalanche
C capacité
G gain d'une APD
hν énergie du photon
I photocourant (courant photoélectrique)
ph
I courant de fuite
r
I photocourant maximal autorisé
max
I(U) caractéristique courant-tension
λ longueur d'onde
λ longueur d'onde de sensibilité énergétique maximale
p
η efficacité quantique
NEP puissance équivalente de bruit (noise equivalent power)
P puissance optique
opt
PD photodiode
PDA mosaïque de photodiodes
s sensibilité énergétique
62088  IEC:2001 – 13 –
4.1.2
noise equivalent power (of a photodiode)
NEP (abbreviation)
the value of the radiant power at the input to an optical detector which produces at the output
a signal-to-noise ratio equal to one, for a given wavelength, modulation frequency and
equivalent noise bandwidth
[IEV 731-06-40]
4.1.3
photocurrent (I )
ph
that part of the output current of a photoelectric detector, which is caused by incident
radiation
[IEV 845-05-52]
4.1.4
photodiode
photoelectric detector in which a photocurrent is generated by absorption of optical radiation
in the neighbourhood of a p-n junction between two semiconductors or a junction between a
semiconductor and a metal
[IEV 845-05-39]
4.1.5
responsivity; sensitivity (of a detector) (s)
quotient of the detector output Y by the detector input X (s = Y/X)
[IEV 845-05-54]
4.1.6
spectral response
responsivity as a function of wavelength
NOTE Responsivity usually expressed in amperes per watt and wavelength in nanometers.
4.2 Symbols and abbreviations
A active area
APD avalanche photodiode
C capacitance
G gain of an APD
hν photon energy
I photocurrent
ph
I leakage current
r
I maximum allowed photocurrent
max
I(U) current-voltage characteristic
λ wavelength
λ maximum responsivity wavelength
p
η quantum efficiency
NEP noise equivalent power
P optical power
opt
PD photodiode
PDA photodiode array
s responsivity
– 14 – 62088  CEI:2001
T température
T /T température maximale/minimale pour le fonctionnement de la photodiode
max min
U tension de polarisation
b
U tension de polarisation nominale de la PD
bn
U tension de polarisation maximale autorisée
bmax
x longueur (ou diamètre) utile d'une trace de balayage (mesure de la surface
u
active)
5 Caractéristiques physiques
5.1 Surface utile, A
La surface utile d'une PD est en général légèrement plus petite que la surface totale de la
galette de semiconducteur. Ceci est dû au boîtier, à l'électrode, ou à la couche protectrice qui
peut être nécessaire sur le bord de la jonction pour réduire le courant de fuite (et par
conséquent le bruit).
La mesure de la surface utile doit être effectuée, comme l'indique la figure 2, en balayant
toute la surface de la PD placée dans un noir ambiant total, à l'aide d'un faisceau collimaté de
lumière incidente provenant d'une source lumineuse de référence de haute stabilité.
La PD doit être polarisée et connectée à un picoampèremètre en utilisant le montage
conventionnel de mesure du courant de fuite ou de relevé de la caractéristique courant-
tension (voir la CEI 60333).
La dimension du spot à la surface de la PD ainsi que le pas du balayage dans toute direction
doivent être tous deux inférieurs à 1/20 de la plus grande dimension de la tranche de
semiconducteur, et en tous cas, inférieurs à 0,5 mm (voir exemples à droite de la figure 2).
Pour chaque trace de balayage on reporte le courant mesuré de la PD comme indiqué sur la
figure 2, et on détermine une longueur utile, x , définie comme la longueur de la trace où le
u
photocourant est au moins égal à 90 % de sa valeur maximale. La surface utile, définie
comme la surface où le photocourant est au moins égal à 90 % de sa valeur maximale, est
calculée à partir de toutes les x individuelles de chacune des traces. Les détails du calcul
u
doivent être indiqués.
La surface utile peut dépendre de la longueur d'onde de la lumière de balayage. En
conséquence, on doit déterminer la surface utile pour plusieurs longueurs d'onde dans le
domaine spectral utile de la PD. La mesure doit être effectuée au moins pour la longueur
d'onde de sensibilité énergétique maximale λ à l'aide d'une source lumineuse mono-
p
chromatique ou filtrée émettant à λ ± 50 nm.
p
La surface utile peut changer légèrement avec la tension de polarisation. Une mesure doit
être effectuée au moins pour la tension nominale U . La tension de polarisation doit être
bn
indiquée pour toutes les mesures.
Dans le cas des APD, la surface utile peut varier de manière significative avec la tension
appliquée, car le facteur de multiplication peut varier légèrement d'un point à l'autre de la
diode. En conséquence, il convient d'indiquer aussi la surface utile pour G = 1.
La présente mesure peut s'appliquer aussi aux mosaïques de photodiodes (PDA) par
sommation des surfaces actives de chaque photodiode élémentaire.

62088  IEC:2001 – 15 –
T temperature
T /T temperature maximum/minimum for operating the photodiode
max min
U bias voltage
b
U nominal bias voltage of the PD
bn
U maximum allowed bias voltage
bmax
x useful length (or diameter) of a scanning path (active area measurement)
u
5 Physical characteristics
5.1 Active area, A
The active area of a PD, which is the useful area, is usually slightly smaller than the overall
area of the semiconductor wafer. This is due to the packaging or to the electrode or to the
protective layer on the junction edge, which may be needed in order to minimize the leakage
current (and consequently the noise).
Measurement of the active area shall be carried out, as shown in figure 2, by scanning the
overall area of the PD placed in total ambient darkness with a collimated beam of incident
light from a high stability reference light source.
The PD shall be biased and connected to a picoammeter using a conventional set-up as used
for semiconductor detector leakage current measurement or current-voltage characteristic
plotting (see IEC 60333).
Both the spot dimension on the surface of the PD and the scanning step in any direction shall
be less than 1/20 of the largest dimension of the semiconductor wafer and, in all cases, less
than 0,5 mm (see examples on the right of figure 2).
For each scanning path, the measured photocurrent of the PD is plotted as shown in figure 2
and a useful length, x , is determined as the length of the path where the photocurrent is at
u
least equal to 90 % of its maximum value. The active area, defined as the area where the
photocurrent is at least equal to 90 % of its maximum value, is computed from all the
individual x determined for each scanning path. The computation details shall be stated.
u
The active area may depend on the wavelength of the scanning light. Consequently, the
active area shall be determined for several wavelengths in the useful spectral domain of the
PD. The measurement shall be made at least for the maximum responsivity wavelength λ
p
using a monochromatic or filtered light source emitting at λ ± 50 nm.
p
The active area may change slightly with the bias voltage. A measurement shall be carried
out at least at the nominal bias voltage U . The bias voltage shall be stated for all
bn
measurements.
For APDs, the active area may change significantly with applied voltage, as the multiplication
factor may change slightly at different points of the device. Consequently, the active area for
G = 1 should also be determined and stated.
This measurement can also apply to photodiode arrays (PDAs) by summing the active areas
of the elementary PDs.
– 16 – 62088  CEI:2001
Une méthode alternative consiste à utiliser une lumière pulsée et le système conventionnel
d'amplification associé aux détecteurs à scintillation à photodiode pour mesurer le photo-
courant (voir 6.7.2.1). Pour des dispositifs intégrés, incluant dans un même boîtier la PD et le
préamplificateur voire même le système d'amplification complet, cette méthode est
impérative. Les amplitudes des impulsions amplifiées, qui sont proportionnelles aux
impulsions de photocourant, sont relevées pour chaque pixel et ensuite x et la surface utile
u
sont obtenues par la même méthode que ci-dessus.
Source
lumineuse
collimatée
PD
I %
ph
x
u
x
IEC  483/01
Figure 2 – Dispositif pour la mesure de la surface utile
(en haut à gauche) et exemples de balayage

62088  IEC:2001 – 17 –
An alternative method is to use pulsed light and the conventional amplification system of
photodiode scintillation detectors to measure the pulsed photocurrent (see 6.7.2.1). For
integrated devices, including in a same package the PD and the preamplifier or even the
complete amplification system, this method shall be used. The amplitudes of the amplified
pulses, which are proportional to the photocurrent pulses, are plotted for each pixel and then
x and the active area are obtained in the same way as described above.
u
Collimated
light
source
PD
I %
ph
x
u
x
IEC  483/01
Figure 2 – Set-up for active area measurement (upper left) and scanning examples

– 18 – 62088  CEI:2001
5.2 Fenêtre
Bien qu'il existe aussi des PD sans fenêtre, la surface de la photodiode est généralement
recouverte d'une couche protectrice (fenêtre) pour éviter les contraintes mécaniques dues au
scintillateur, la rayure de la surface lors des manipulations ou la contamination par les gels
utilisés pour le couplage optique.
Le fabricant doit indiquer (voir article 8, notice technique) le matériau de la fenêtre, son indice
de réfraction ainsi que la possibilité de nettoyer la surface de la photodiode. Si le nettoyage
est autorisé, il doit en préciser les conditions ainsi que le type de tissu et de solvant qui
peuvent être utilisés pour éliminer toute souillure.
6 Caractéristiques électriques
6.1 Généralités
Les mesures des caractéristiques électriques de photodiodes sont, dans la majorité des cas,
identiques à celles utilisées pour les détecteurs semiconducteurs à ionisation directe décrites
dans la CEI 60333. C'est également le cas pour les paramètres liés à la détection nucléaire
comme la résolution en énergie ou le bruit et la résolution électrique d'un système
photodiode-scintillateur-amplificateur, comme décrit dans la CEI 60333.
6.2 Capacité
La méthode de mesure décrite dans la CEI 60333 est applicable.
La zone désertée, d, peut être calculée à partir de la surface, A, et de la capacité, C par:
C = ε ε A/d (1)
r 0
où
ε est la permittivité relative du semiconducteur;
r
ε est la permittivité du vide;
ε , ε A, d, C sont exprimés dans le système international d'unités.
r 0,
6.3 Courant de fuite, I , et caractéristique courant – tension, I(U)
r
6.3.1 Mesure
La méthode de mesure décrite dans la CEI 60333 est applicable.
NOTE Comme les photodiodes ne nécessitent que des tensions de polarisation basses ou moyennes, il est
préférable d'effectuer cette mesure à l'aide d'oscilloscopes spécialement équipés pour relever les caractéristiques
de diodes et de transistors. Ces appareils permettent des mesures de I(U) en continu ou en pulsé. Les mesures
pulsées sont recommandées lors du relevé de la caractéristique I(U) dans la zone de claquage. Ceci est
particulièrement valable pour les photodiodes à avalanche (APD).
6.3.2 Variation avec la température
Le courant de fuite I d'une photodiode semiconductrice croît exponentiellement avec la
r
température et, près de la température maximale de fonctionnement (généralement 60 °C), le
bruit parallèle de la PD peut constituer la contribution essentielle du bruit de l'ensemble
photodiode-amplificateur. De ce fait, il convient de donner la variation du courant de fuite en
fonction de la température sur toute l'étendue de la gamme de température d'utilisation.

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5.2 Window
Although windowless PDs are also available, the photodiode surface is usually covered by a
protective layer (window) to prevent mechanical stress by the scintillator, scratching of the
surface during manipulation or contamination by light coupling compounds.
The manufacturer shall indicate (see clause 8, data sheet) the material of the window, the
refractive index of the window, and the possibility of cleaning the photodiode surface. If
cleaning is allowed the precise conditions and the type of pad and solvent, which can be used
to wipe off any contamination, shall be indicated.
6 Electrical characteristics
6.1 General
Measurement of the electrical characteristics of photodiodes are in most cases identical to
those used for direct ionization semiconductor detectors described in IEC 60333. This is also
the case for nuclear detection parameters such as energy resolution or noise and electrical
resolution of a photodiode/scintillator/amplifier system, as described in IEC 60333.
6.2 Capacitance
The measurement method described in IEC 60333 is applicable.
The depletion layer, d, can be computed from the area, A, and the capacitance, C:
C = ε ε A / d (1)
r 0
where
ε is the relative permittivity of the semiconductor;
r
ε is the permittivity of vacuum, and
ε , ε , A, d, C are expressed in the international unit system.
r 0
6.3 Leakage current, I , and current – voltage characteristic, I(U)
r
6.3.1 Measurement
The measurement method described in IEC 60333 is applicable.
NOTE As photodiodes need only low or medium bias voltages, this measurement can preferably be carried out
using specially equipped oscilloscopes for plotting the current voltage characteristics of diodes and transistors.
Such equipment has provision for making d.c. or pulsed measurements of I(U). Pulsed measurements are
recommended when plotting the I(U) characteristic in the breakdown voltage region. This is particularly true for
avalanc
...