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介紹SPAD之前,我們先來看看什么是APD?APD,全拼為Avalanche Photon Diode,即雪崩光電二極管,是一種光電探測(cè)器件。從器件層面描述,APD本質(zhì)上是一種工作在反向偏置狀態(tài)的特殊P-N結(jié),如圖1所示。P-N結(jié)附近的強(qiáng)電場(chǎng)使得帶負(fù)電的電子被吸引在N區(qū),帶正電的空穴則被吸引在P區(qū),并在 P-N 結(jié)交界處形成了耗盡層。在未加反向偏壓的狀態(tài)下,耗盡層中僅有固定在硅(Si)晶格上的正負(fù)摻雜離子和 Si 原子,無自由移動(dòng)的載流子。當(dāng)在P-N結(jié)兩端加反向偏壓時(shí),隨著反向偏壓增大,耗盡層中的電場(chǎng)強(qiáng)度和光電流增益就越大。當(dāng)反向偏壓超過 P-N 結(jié)反向擊穿電壓 Vbd時(shí),稱APD工作在蓋革模式,此時(shí)僅需單個(gè)光子就可以觸發(fā)雪崩,所以工作在蓋革模式的APD,又稱為 SPAD,如圖2所示。一般而言,APD 的典型增益是10-100倍,SPAD理論上增益可達(dá)到APD的100萬倍以上。
SPAD,Single Avalanche Photon Diode,單光子雪崩二極管,顧名思義可以探測(cè)單個(gè)光子,具有高感光靈敏度、高信噪比和皮秒級(jí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),尤其在弱光信號(hào)的探測(cè)方面,具有APD不可比擬的優(yōu)勢(shì)。因此,被廣泛應(yīng)用于激光雷達(dá),量子通信,目標(biāo)探測(cè),熒光光譜分析等領(lǐng)域。那么如何定量的去評(píng)價(jià)一個(gè)SPAD器件的好壞?
圖1(左) 工作在反向偏置狀態(tài)的P-N結(jié)
圖2(右) APD/SPAD I-V圖
SPAD性能指標(biāo)測(cè)試
圖3 SPAD性能指標(biāo)測(cè)試流程
Vbd:SPAD反向擊穿電壓。
在暗場(chǎng)環(huán)境下,用半導(dǎo)體特性分析儀在室溫下測(cè)試SPAD的I-V特性,確定SPAD器件的實(shí)際擊穿電壓Vbd,并根據(jù)I-V曲線找到SPAD預(yù)期電流增益對(duì)應(yīng)的偏置電壓,將該電壓設(shè)置為器件的工作電壓Vop(Vop = Vbd+Vex)。在SPAD工作溫度范圍內(nèi)進(jìn)行不同溫度下的I-V特性測(cè)試,標(biāo)定不同溫度下器件的擊穿電壓Vbd和參考工作電壓Vop。
DCR:Dark-Count-Rate,暗計(jì)數(shù)率,指的是在無光照條件下,SPAD因內(nèi)部熱發(fā)射或隧穿產(chǎn)生的電子空穴對(duì)觸發(fā)雪崩,在單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)。
在暗場(chǎng)環(huán)境下,使SPAD工作在Vop電壓下,用示波器捕捉SPAD陰極輸出脈沖波形,檢測(cè)器件的暗計(jì)數(shù)。根據(jù)示波器檢測(cè)到的一定時(shí)間范圍內(nèi)的暗計(jì)數(shù)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的暗計(jì)數(shù),即為暗計(jì)數(shù)率DCR。
計(jì)算公式如下:
Nsum-dark : 無光輸入時(shí),檢測(cè)的總的脈沖個(gè)數(shù)
Nafterpulse : 后脈沖個(gè)數(shù)
PDE:Photon-Detection-Efficiency,光子探測(cè)效率,SPAD輸出的有效脈沖數(shù)(觸發(fā)光子數(shù))與入射光子的比值。
在均勻光或脈沖光條件下,使SPAD工作在Vop電壓下,測(cè)試SPAD上接收的光功率;SPAD上接收到的光功率除以單個(gè)光子的能量即為單位時(shí)間內(nèi)SPAD上接收到的光子數(shù)量;根據(jù)示波器檢測(cè)到的一定時(shí)間范圍內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)減去暗計(jì)數(shù)減去后脈沖數(shù),可以計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)光子觸發(fā)數(shù);用單位時(shí)間內(nèi)光子觸發(fā)數(shù)除以單位時(shí)間內(nèi)SPAD上接收到的光子數(shù)即為光子探測(cè)效率PDE。
計(jì)算公式如下:
Nafterpulse : 后脈沖個(gè)數(shù)
Nin:測(cè)試時(shí)間內(nèi)平均進(jìn)入SPAD 器件的光子數(shù)
t : 測(cè)試時(shí)間
I:光功率密度
SSPAD:SPAD感光面積
λ/hc : 單個(gè)光子能量
Dead-time:死區(qū)時(shí)間,SPAD不能進(jìn)行光子探測(cè)的時(shí)間。
在均勻光或脈沖光條件下,使SPAD工作在Vop電壓下,用示波器捕捉SPAD陰極輸出脈沖波形,測(cè)量器件的死區(qū)時(shí)間。淬滅時(shí)間與復(fù)位時(shí)間之和即為死區(qū)時(shí)間,Tdead= Tquench+ Treset,如圖4所示。
圖4 SPAD陰極輸出脈沖波形死區(qū)時(shí)間示意圖
AfterPulse:后脈沖,SPAD雪崩淬滅后恢復(fù)下一次可探測(cè)狀態(tài)前,陷阱能級(jí)中的電子被釋放觸發(fā)二次雪崩,如圖5所示。
在均勻光或脈沖光條件下,使SPAD工作在Vop電壓下,用示波器捕捉SPAD陰極輸出脈沖波形,檢測(cè)器件的后脈沖數(shù);根據(jù)示波器檢測(cè)到的多次后脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算平均后脈沖數(shù)。
圖5 后脈沖示意圖
Jitter:時(shí)間抖動(dòng),光子從發(fā)射至SPAD輸出光觸發(fā)脈沖波形的時(shí)間分布的標(biāo)準(zhǔn)差,如圖6所示。
在脈沖光條件下,使SPAD工作在Vop電壓下,用示波器捕捉SPAD陰極輸出脈沖波形,測(cè)量SPAD陰極輸出脈沖的抖動(dòng)寬度。
圖6 Jitter示意圖