光电探测器

单光子雪崩二极管探测器构成和分类
SPAD探测成像技术主要包括： 单光子雪崩二极管、雪崩淬灭电路、雪崩信号读取电路三部分
其中淬灭电路，分为： 被动式淬灭、主动式淬灭、门脉冲淬灭 雪崩信号读取电路，根据每次能够读出的像素数目可分为： 像素串行读出、像素并行读出、列并行读出
三 单光子雪崩二极管的工作原理
Vs ( ) RV ( ) P ( )
I s ( ) RI ( ) P ( )
④ 频率响应度
频率响应度R(f)：响应度随入射光频率而变化的性能 参数。其表达式为：
R0 R( f ) [1 (2f ) 2 ]1/ 2
式中R(f)为频率为f 时的响应度；R0为频率为零时的响 应度；为探测器的响应时间或称时间常数,由材料和外 电路决定。
单光子雪崩二极管的工作原理
单光子雪崩二极管就是利用APD 的雪崩效应使光电流得 到倍增的高灵敏度的光子检测器。理论上，当APD 的反 向偏压无限接近其雪崩阈值电压时，认为电流增益接近 无穷大；实际上，当APD 的反向偏压不超过雪崩电压时， 电流增益增长到一定量就会饱和 ，该饱和值无法确保 APD 一定能够检测到单光子信号。因此，通常使APD 两 端的偏置电压高于其雪崩电压，确保当有光子信号到达 时，APD 会被迅速触发而产生雪崩，这种偏置方式称为 盖革模式。由于APD 只有工作在盖革模式下才具备单光 子探测能力，所以通常直接用单光子雪崩二极管（SPAD） 来表示。
SPAD的探测机理
拉通结构将吸收区和倍增区合二为一，漂移区和倍增区分开， 这种特点保证了SPAD高量子效率、高响应速度和高内部增益的 优点。宽尺寸的π 区能够吸收大部分的入射光子，并确保只有 在该区产生的光生载流子才能进入倍增区引发碰撞电离。N+区 和P 区都很窄，所以光生空穴进入高场区中发生碰撞电离的贡 献很小；π 区的光生空穴向相反方向运动，不可能进入高场倍 增区。另一方面，硅材料中空穴离化率比电子离化率小的多， 所以硅雪崩管主要是靠电子在倍增区产生碰撞电离。噪声主要 由雪崩过程的随机起伏引起，只有一种载流子引起碰撞电离， 噪声也就比较小。
SPAD的探测机理
图2.1（b）给出了（a）图中对应的电场分布曲线，很明显，在N+P 结靠近 P 区的一 侧拥有最高的电场强度。反偏压较低时，N+P 结承受了大部分的压降；反偏 压趋近雪崩阈 值电压时，耗尽层几乎覆盖了整个π 区，所以这种结构也称为拉通型结构； 反偏压超过 雪崩阈值电压以后，耗尽层承受了所有的压降。分析曲线可知，π 区的电场 明显低于倍增 区的电场，但仍然保持着一个比较高的值，能够保证载流子在不发生碰撞电 离的时候仍有 较高的运动速度。
SPAD的探测机理
图2.1（a）是单光子雪崩二极管的一种典型结构。在P 型衬底上，用CMOS 工艺生长一层P 型外延，离子注入工艺形成P 层，扩散工艺形成N+区，阳极 由P+注入形成。其中N+P 结即二极管的核心工作区域，决定了器件光敏面 积和雪崩击穿电压的大小。另外，注意在N+与P 区间扩散形成N 区作为保护 环，使N+P 结的边缘电压降低，以防在高反偏电压时PN 结边缘被永久性击 穿，确保结击穿限制在SPAD 有效区域的中心位置而不是边缘，保证结击穿 时的均匀性。
D*
1 1/ 2 D ( A f ) d NEP*
D*越大的探测器其探测能力越强。
⑦ 其它参数
光电探测器还有其它一些参数，在使用时必须注意到。如：
1、暗电流：指没有信号和背景辐射时通过探测器的电流。
2、光敏面积：指灵敏元的几何面积。 3、探测器电阻、电容。 4、工作电压、电流、温度。
单光子雪崩二极管的工作原理
下图是SPAD 探测器的原理图。单个光子入射到SPAD 的表面时，通过材料的光电效应在 SPAD 的吸收层激发 出一个光生载流子，进而触发其雪崩过程。宏观上表现 为单个光子的入射引起了一个非常大的雪崩信号，该雪 崩信号经外围电路提取、放大、整形后进入计数器，从 而实现单个光子的探测。
雪崩二极管
原理： 雪崩二极管是利用半导体结构中载流子的碰撞电离和渡越时间两种物 理效应而产生负阻的固体微波器件。 优点： 超低噪声·高速·高互阻抗增益
超导单光子探测器
原理： 将超导薄膜控制在超导临界温度以下，使其处于超导状态，当待测光 子入射到该超导薄膜并产生热量后，该超导薄膜会从超导态转变为正 常态，从而引起电阻率的跃变，监测该电阻率的变化，就可以实现单 光子探测。 优点：超高的量子效率， 暗计数和计数率等性能
SPAD的探测机理
可以看出，这是一种N+-P-π-P 的四层结构，X1 和X2 之间是 N+接触区，X2 和X3 之 间是P 型倍增区，X3 和X4 之间是π 形漂移区，X4 往下是P 接 触区。雪崩倍增主要发生 在倍增区，而入射光子主要是在π 形漂移区被吸收。
SPAD的探测机理
图2.1（b）给出了（a）图中对应的电场分布曲线，很明显，在N+P 结靠近 P 区的一 侧拥有最高的电场强度。反偏压较低时，N+P 结承受了大部分的压降；反偏 压趋近雪崩阈 值电压时，耗尽层几乎覆盖了整个π 区，所以这种结构也称为拉通型结构； 反偏压超过 雪崩阈值电压以后，耗尽层承受了所有的压降。分析曲线可知，π 区的电场 明显低于倍增 区的电场，但仍然保持着一个比较高的值，能够保证载流子在不发生碰撞电 离的时候仍有 较高的运动速度。
因此, 对于SPAD系统的噪声--暗计数, 影响其大小的因素有材料、 工艺( 掺杂浓度) 、环境温度和外电压。而温度与电压是外部可调 的, 一般对Si-SPAD, 为了降低暗计数, 通常需要适当降低环境温度 并降低外电压的大小。
SPAD的特性参数 ——后脉冲
后脉冲是由材料的缺陷中心俘获载流子再释放引起的。雪崩过 程中，被结区杂质俘获的载流子在雪崩结束后经过片刻的延迟被 释放出来，在强电场下会再次引发雪崩，产生与前一次光生脉冲 无关的后脉冲，引起探测器的一次误计数。 如何有效减少后脉冲是提高 SPAD 探测器性能需要解决的最重 要的问题。从器件的角度看，可以通过控制器件的生长工艺，尽 量减少SPAD的缺陷密度，降低了俘获中心的数目，后脉冲自然也 少了。当然，也可以降低SPAD的偏置电压，使雪崩载流子的数目 减少，也可以实现对后脉冲的抑制。目前使用最多的也是效果最 好的方法是通过外围电路的控制调节，比如采用门脉冲方法抑制 雪崩，缩短脉冲的宽度以配合控制后脉冲的产生时间。
SPAD的特性参数 ——死时间
SPAD 探测系统中除了 SPAD 器件 , 另一个重要组成 部分是淬灭电路, 淬灭电路的设计决定了系统光子计数 率上限的高低 , 通常定义死时间这个物理量来表征光子 计数率属性的好坏。淬灭电路的死时间是指雪崩发生 之后, 探测器无法响应入射光子, 即无法进行探测行为 的总时间, 它包括淬灭时间以及恢复时间两个部分 [19]。 对于被动淬灭电路, 死时间为
SPAD的特性参数 ——暗计数
对单光子探测系统, 噪声的表现方式主要体现在暗计数上, 因为 无论噪声电流的强弱, 引起的宏观表现都是一次雪崩脉冲计数。暗 计数是指系统在完全没有光照的情况下, 产生的输出脉冲计数。产 生暗计数的条件一般为暗载流子生成并成功触发雪崩。假设倍增 区暗载流子数为Nd, 每个载流子触发雪崩的概率为Pa, 则暗计数率
二 常用单光子探测的器件：
光电倍增管
雪崩二极管 超导单光子探测器
光电倍增管
原理： 当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光 电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的 倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。 优点： 在探测紫外、可 见和近红外区的辐射能 量的光电探测器中，具 有极高的灵敏度和极低 的噪声。另外，光电倍 增管还具有响应快速、 成本低、阴极面积大等 优点。
对于理想的探测器，每入射一个光子则发射一 个电子，=1；实际上一般有<1。 但对光电倍增管、雪崩光电二极管等有内部增益 机制的光电探测器，可大于1。
量子效率是一个微观参数，光电探测器的量子效
率越高越好。
② 响应度
响应度R（或称灵敏度）描述的是光电探测器的光电 转换效率。 定义：光电探测器输出信号与输入光功率之比。
SPAD的特性参数
衡量SPAD性能优劣的参数有很多， 主要包括了单光子量子效率、暗计 数、后脉冲和死时间。下面对这些 参数进行一一介绍，并分别给出在 实际制作器件时的建议。
SPAD的特性参数 ——探测效率
在SPAD系统中一个主要考察的参数指标是单光子量子效率, 即 探测效率, 定义为探测到的光子数目与入射光子的比值。它与普通 外量子效率的区别在于, 多考虑了暗计数以及雪崩概率的影响。通 常单光子量子效率表示为 P P exp( Nd Pa ) exp[( N0 Nd )0 Pa ] （2.1） SPQE on d 1 exp( N0 ) Pph 式中: Pon为信号光载流子或暗载流子触发并产生雪崩的概率; Pph 为当入射光脉冲的平均光子数为N0时, 一个入射脉冲至少包含一 个光子的概率。根据SPQE的计算公式可以得知, 影响SPAD系统 的探测效率的因素有吸收区厚度、接触区厚度以及表面材料、光 波长、暗计数率、外电压以及入射光源。
① 量子效率
② 响应度
③ 光谱响应度 ④ 频率响应度 ⑤ 量子效率
量子效率：是指每入射一个光子光电探测器所释放的
平均电子数。它与入射光能量有关。其表达式为:
I /e P / h
式中，I是入射光产生的平均光电流大小，e是电子电 荷，P是入射到探测器上的光功率。 I/e为单位时间产生的电子数, P/hυ为单位时间入射的光子数。
光电探测器
一 概述 二 常用单光子探测的器件 三 单光子雪崩二极管的工作原理
四 光电探测器的应用
一 概述
1. 什么是光电探测器？
光电探测器是一种把光辐射能量转换为便于测量的 电能的器件。