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内容

SPAD的特性测试

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  SPAD 是一种基于 p-n 接面反向偏压操作的半导体器件,工作电压超过接面崩溃电压。在这个偏压下电场非常高,以至于注入空乏区的单个电荷载流子可以触发自持雪崩。电流可迅速上升到毫安等级。如果主要载流子是因受光产生的光脉冲电流,则此脉冲的前沿处即为检测到光子的到达时间[此处会有皮秒抖动现象(Jitter)]

 

偏压区域和电流电压特性

  半导体p-n接面可以在不同的工作区域被偏压操作。对于正常的单向二极管操作,在导通期间操作在正向偏压区域和施加正向电压。当以低反向偏压工作时,p-n接面可以作为单一增益光电二极管工作。随着反向偏压的增加,可以通过载流子倍增产生一些内部增益,从而使光电二极管作为雪崩光电二极管 (APD) 运行,具有稳定的增益和对光输入信号的线性响应。然而,随着反向偏压继续增加,当 p-n接面上的电场强度达到临界位准时,p-n接面会崩溃。由于该电场是由接面上的偏压引起的,因此将其表示为崩溃电压 VBD。 SPAD 使用高于崩溃电压的超额偏压Vex进行反向偏压,但需避免过多的超额偏压使SPAD损坏。因此,总偏压 (VBD+Vex) 超过了崩溃电压,以至于“在这个偏压条件下,电场非常高,使注入空乏区的单个电荷载流子可以引发自持雪崩,此条件称为”盖格模式”(Geiger mode)。可透过(I-V) 特性量测来了解SPAD导通的行为模式。

(I-V) 特性量测

Dark count rate (DCR)

除了光子产生的载流子,热产生的载流子(透过半导体内的产生-复合过程)也可以引发雪崩过程。因此,SPAD可以在完全黑暗环境下观察输出脉冲。每秒产生的平均计数称为暗计数率 (DCR),是定义此侦测器噪声的关键参数。

因此,为了作为单光子侦测器工作,SPAD 必须能够在足够长的时间内保持高于崩溃的偏差(例如低于每秒 1000 次计数,cps)

Jitter抖动

  量测光子到达的时间可使用SPAD在盖格模式下崩溃的前沿来做计算。光子到达的测量方式主要是透过两个方式。首先是光子本身到达时间的统计波动,这是光的基本属性。第二个是 SPAD 内侦测机制的统计变化,这是由以下4个参数所引;1. 光子吸收深度,2. 到有源p-n接面的扩散时间,3. 雪崩的累积统计数据和4. 检测的抖动和定时电路。

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Photon-detection efficiency

  PDE 是不同波长下的入射光子触发雪崩的概率。除了一般决定半导体光电二极管性能的物理现象外,其他物理效应在 SPAD 中也很重要。雪崩触发概率取决于器件结构和超额偏压VE条件,即反向偏压之间的差异。

理论和实验研究表明,这种概率首先随着低VE线性增加,然后在高VE时趋于饱和。

Afterpulsing

  另一种可以触发雪崩的效应被称为后脉冲(afterpulsing)。当雪崩发生时,PN接面充满电荷载流子,价带和导带之间的陷阱能阶被占据的程度远大于电荷载流子的热平衡分布中预期的程度。在 SPAD 被截止后,陷阱能阶中的电荷载流子有可能接收到足够的能量将其从陷阱中释放出来并将其提升到导带,这会触发新的雪崩。因此不同的SPAD制程及质量,可以从单个起源的热或光产生事件中产生大量额外的脉冲发现。

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