spad 探测器_从光到光子—“单光子”探测器

光电探测器

光电探测器是指在光辐射作用下将其非传导电荷变为传导电荷的一类器件。

在电子学中，二极管是一种具有不对称传输特性的双端电子元件，在一个方向上对电流具有低(理想为零)电阻，在另一个方向上具有高(理想为无限)电阻。最常见的类型如半导体二极管，是用半导体材料(硅、硒、锗等)制成的一种电子器件。它具有单向导电性能，即给二极管阳极和阴极加上一定的正向电压时，二极管导通。当给阳极和阴极加上反向电压时，二极管截止。因此，二极管的导通和截止，则相当于开关的接通与断开。
a.光电二极管是一种光电探测器，能够根据工作模式将光转换成电流或电压。光电二极管与普通半导体二极管类似，只是它们可以暴露在外，可以通过窗口或光纤连接进行封装，从而使光到达器件的感光部分。许多专门用作光电二极管的二极管使用的是PIN结而不是p-n结，PIN结的二极管能够提高响应速度。

b.雪崩光电二极管(APD)是一种高灵敏度的半导体电子设备，利用光电效应(图1)将光转换为电。可以将APD视为通过雪崩倍增提供内部第一级增益的光电探测器。通过施加高的反向偏置电压，APD由于碰撞电离而出现出内部电流增益效应(雪崩效应)。通常，反向电压越高，增益越高。对于APD，反向电压始终低于击穿电压，并且APD的灵敏度不足以检测单个光子。二极管的击穿电压是使二极管反向导通的最小反向电压。

图1 光电效应 c.单光子雪崩二极管(SPAD)(也称为盖革模式APD，光子计数器，SPAD或单光子探测器)是一类具有反向偏置p-n结的固态光电探测器，在其中光生载流子可以通过碰撞电离机制而触发雪崩电流。SPAD能够检测低强度信号(低至单光子)。SPAD和APD之间的根本区别在于，SPAD专门设计为了在远高于击穿电压的反向偏置电压下工作的一类产品(相反，APD在小于击穿电压的偏置电压下工作)。

单光子探测器原理

图2表示SPAD的I-V(电流-电压)特性，并说明SPAD如何实现单光子探测，此模式也称为盖革模式。给SPAD加载使其处于击穿态的偏置电压V_Br，并处于亚稳态(A点)。它将保持此状态，直到产生主电荷载流子。在这种情况下，信号放大作用实际上变得无限大，即使只检测到单光子也会引起雪崩效应，从而出现宏观电流脉冲(点A到B)，之后可以通过后端所设计的电子电路轻松的检测到信号。该电路必须要限制流过器件的电流的值，以防止其破坏器件并能够淬灭雪崩以使器件复位(点B到C)。一定时间后(死时间)，偏置电压将恢复(C点到A点)，SPAD再次准备检测单个光子。击穿电压的实际值取决于半导体材料、器件结构和温度等因素。对于InGaAs / InP-APD来说，击穿电压通常约为50V。在盖革模式下，APD的检测效率以及噪声都取决于所加的偏置电压。

图2 SPAD的I-V特性曲线 偏置电压的选择，对于单光子探测器来说是尤为重要的，它制约着探测器的探测效率以及暗计数率等核心参数。选择一个合适的偏置电压能够使得单光子探测器发挥出最优异的性能。瑞士IDQ单光子探测器，旨在将偏置电压与探测效率完美匹配，经过多次的实验论证，其单光子系列产品已达到世界领先水平。西安立鼎光电科技有限公司是瑞士IDQ公司在中国区域的战略合作伙伴，负责单光子系列产品在中国的市场推广和技术支持，IDQ的单光子系列产品包含可见光单光子探测器、近红外单光子探测器以及与光子计数有关的时间控制器，脉冲激光器等。

★ID100可见光单光子探测器★