有几种探测技术能够探测单光子强度。以下是其中三种器件的物理特性描述：光倍增管（pmt）、电荷耦合器件（ccd）和石墨烯场效应晶体管（GFETs）。PMT的主要特点是闪烁体装置、光电阴极、加速电极、dynode（雪崩）系统和阳极，所有这些都装在真空玻璃管中（尽管有许多不同的设计）。
待探测辐射通过闪烁体材料（通常为NaI（Tl））传播，产生频率较低的荧光光子，然后入射到光电阴极上。如果只检测到一个光子，则会产生更少的荧光光子。这些光子然后通过光电效应与光电阴极相互作用产生光电子，具有e - γ−Ewf的初始动能（其中Ewf是光电阴极的功函数-将电子从价带拉出所需的能量）。电极然后加速这些初级电子向第一dynode阶段，他们碰撞和释放几个“二级电子”每个。随后的dynode阶段通常保持在100 kV的间隔，因此这些二次电子的进一步加速发生在接下来的dynode阶段。这个过程重复几次，由于雪崩过程的几何形状，导致电子数呈指数增长。
最终，最终的电子通过控制电位集中到阳极上，随后的电流可以被测量。因此，这个过程产生的电流与击中光电阴极的初始光子数成正比，但有一个更大的可管理的值。
电荷耦合器件是一种半导体、硅基电子元件，广泛用于数字成像。1969年，在AT&T贝尔实验室工作的史密斯在研究半导体气泡存储器的同时发明了第一个CCD，并由此在整个20世纪后半叶实现了快速、准确的数字成像的一场小革命。
从本质上讲，电荷是由入射光子在设备中产生的，电荷被移动到一个可以处理和测量的区域。与pmt中的光电阴极功能相似，ccd有一层二氧化硅光敏层，吸附在高度p掺杂的硅半导体衬底上。p掺杂硅意味着在半导体晶体结构中，硅原子被硼原子取代，占一定比例。现在，不是提供四个外层电子给传导带，硼原子只提供三个，这意味着晶体中有一个相对的正电荷，因此p掺杂。
然后，电极嵌入到这层薄薄的光敏层的表面。光子通过光电效应在这层薄涂层中产生电荷，这些光电子被保存在衬底的电容器“箱”中——本质上，电子被困在势阱中，这样任何逃逸的运动都会导致反作用力回到势阱的中心。这些电位阱代表每个像素，由每个位点上方的正电位“门”维持和控制，通过小心地操纵邻近的门电压，储存在容器中的电子可以通过衬底转移到收集器，在那里，电荷放大器可以将电荷脉冲转换为与初始光子强度成比例的电压。然后信号通过模数转换器（ADC）进行处理。
因此，从本质上讲，一个光子会激发光敏二氧化硅层中的一个电子，然后通过p掺杂硅衬底孔中精心控制的栅极电压来捕获电子，这使得电子从一个孔“尖端”到另一个孔，直到它到达衬底的末端，进入一个电荷相乘并转换为可读信号的区域。
由于ccd的高量子效率，在特定波长高达95%（这意味着入射光子的数量在集电极上转换成几乎相同数量的光电子——对于单个光子，这意味着每次传输都可以期望输出信号），它们对辐射的光学检测很有用。
利用石墨烯场效应晶体管作为传感元件。由于石墨烯独特的电学和材料特性，本研究旨在提高室温分辨率，而不是传统设计。作为一种极低噪声、超灵敏的半导体材料辐射诱导电荷探测器，gfet有潜力极大地提高单光子信号的探测。
石墨烯是一种平面的、原子薄的碳同素异形体，能够很容易地吸附在半导体表面，如硅。与传统半导体相比，它具有非常高的电荷迁移率（这意味着电子很容易被激发到导带中，在材料中流动），这使得它作为高性能辐射探测器是有益的。此外，石墨烯的使用产生了单极灵敏度，不需要产生电子-空穴对，而只需要一个载流子。根据桑迪亚团队的研究，将石墨烯整合到场效应晶体管架构中可以提供一种灵敏度极高的读出机制，用于检测单个载流子。
图3显示了用作辐射探测器的石墨烯场效应晶体管的结构。它由两个电极连接到吸附在绝缘体（SiO2）上的石墨烯层，该绝缘体位于半导体吸收体（硅晶圆）的顶部。底部栅极和源极和漏极之间存在电压偏置（这意味着底部和顶部之间存在电位差（顶部为+ve，底部为-ve））。入射辐射（即单个光子）通过光电效应在半导体层产生一个电荷，并且由于栅极电压，这个电荷在绝缘层下面聚集。
这导致释放的电荷在石墨烯薄片上施加电场，极大地改变其导电性——石墨烯的导电性对电场的变化高度敏感（这一解释涉及石墨烯费米能级的变化）。这是因为石墨烯可以被视为零带隙半导体，其中价带和导带在所谓的狄拉克点相遇。通过将源极和漏极置于略微不同的电位，通过在石墨烯上通电流并量化产生的电流/电压，从而推断出电阻，就可以测量这种效应。
由于石墨烯对电场变化的高度敏感性，因此这种电流与半导体中产生的电荷数量成正比，并且高度敏感，而这些电荷数量又与初始辐射强度成正比。因此，这种架构可以取代ccd中有些传统的像素元素作为辐射探测器。最后，我在相当高的水平上详细介绍了三种探测器技术。如果你还没有达到这个水平，那么我很抱歉我说错了，但我希望读者能够了解其中的物理原理，并看到一些最古老的探测器架构是多么的聪明（pmt已经超过80岁了）。
