雪崩光电二极管的介绍 及等效电路模拟
雪崩光电二极管的介绍及等效电路模拟 [文档副标题] 二〇一五年十月 辽宁科技大学理学院 辽宁省鞍山市千山中路185号
雪崩光电二极管的介绍及等效电路模拟 摘要：PN结有单向导电性，正向电阻小，反向电阻很大。当反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加。就是反向电击穿。它分雪崩击穿和齐纳击穿(隧道击穿)。雪崩击穿是PN 结反向电压增大到一数值时，载流子倍增就像雪崩一样，增加得多而快，利用这个特性制作的二极管就是雪崩二极管。雪崩击穿是在电场作用下，载流子能量增大，不断与晶体原子相碰，使共价键中的电子激发形成自由电子-空穴对。新产生的载流子又通过碰撞产生自由电子-空穴对，这就是倍增效应。1生2，2生4，像雪崩一样增加载流子。 关键词：雪崩二极管等效电路 1.雪崩二极管的介绍 雪崩光电二极管是一种p-n结型的光检测二极管，其中利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度。其基本结构常常采用容易产生雪崩倍增效应的Read二极管结构（即N+PIP+型结构，P+一面接收光），工作时加较大的反向偏压，使得其达到雪崩倍增状态；它的光吸收区与倍增区基本一致（是存在有高电场的P区和I区）。 P-N结加合适的高反向偏压，使耗尽层中光生载流子受到强电场的加速作用获得足够高的动能，它们与晶格碰撞电离产生新的电子一空穴对，这些载流子又不断引起新的碰撞电离，造成载流子的雪崩倍增，得到电流增益。在0.6～0.9μm波段，硅APD具有接近理想的性能。InGaAs（铟镓砷）/InP（铟磷）APD是长波长（1.3μn，1.55μm）波段光纤通信比较理想的光检测器。其优化结构如图所示，光的吸收层用InGaAs材料，它对1.3μm和1.55μn 的光具有高的吸收系数，为了避免InGaAs同质结隧道击穿先于雪崩击穿，把雪崩区与吸收区分开，即P-N结做在InP窗口层内。鉴于InP材料中空穴离化系数大于电子离化系数，雪崩区选用n型InP，n-InP与n-InGaAs异质界面存在较大价带势垒，易造成光生空穴的陷落，在其间夹入带隙渐变的InGaAsP（铟镓砷磷）过渡区，形成SAGM（分别吸收、分级和倍增）结构。 在APD制造上，需要在器件表面加设保护环，以提高反向耐压性能；半导体材料以Si 为优（广泛用于检测0.9um以下的光），但在检测1um以上的长波长光时则常用Ge和InGaAs（噪音和暗电流较大）。这种APD的缺点就是存在有隧道电流倍增的过程，这将产生较大的散粒噪音（降低p区掺杂，可减小隧道电流，但雪崩电压将要提高）。一种改进的结构是所谓SAM-APD：倍增区用较宽禁带宽度的材料（使得不吸收光），光吸收区用较窄禁带宽度的材料；这里由于采用了异质结，即可在不影响光吸收区的情况下来降低倍增区的掺杂浓度，使得其隧道电流得以减小（如果是突变异质结，因为ΔEv的存在，将使光生
光电探测器原理
光电探测器原理及应用 光电探测器种类繁多，原则上讲，只要受到光照后其物理性质发生变化的任何材料都可以用来制作光电探测器。现在广泛使用的光电探测器是利用光电效应工作的，是变光信号为电信号的元件。 光电效应分两类，内光电效应和外光电效应。他们的区别在于，内光电效应的入射光子并不直接将光电子从光电材料 内部轰击出来，而只是将光电材料内部的光 电子从低能态激发到高能态。于是在低能态 留下一个空位——空穴，而高能态产生一个 自由移动的电子，如图二所示。 硅光电探测器是利用内光电效应的。 由入射光子所激发产生的电子空穴对，称为光生电子空穴对，光生电子空穴对虽然仍在材料内部，但它改变了半导体光电材料的导电性能，如果设法检测出这种性能的改变，就可以探测出光信号的变化。 无论外光电效应或是内光电效应，它们的产生并不取决于入射光强，而取决于入射光波的波长λ或频率ν，这是因为光子能量E只和ν有关： E=hν（1） 式中h为普朗克常数，要产生光电效应，每个光子的能量必须足够大，光波波长越短，频率越高，每个光子所具有的能量hν也就越大。光强只反映了光子数量的多少，并不反映每个光子的能量大小。 目前普遍使用的光电探测器有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管，是由半导体材料制作的。 半导体光电探测器是很好的固体元件，主要有光导型，热电型和P—N结型。但在许多应用中，特别是在近几年发展的光纤系统中，光导型探测器处理弱信号时噪声性能很差；热电型探测器不能获得很高的灵敏度。而硅光电探测器在从可见光到近红外光区能有效地满足上述条件，是该波长区理想的光接收器件。 一、耗尽层光电二极管 在半导体中，电子并不处于单个的分裂 能级中，而是处于能带中，一个能带有许多
论文第49卷第8期 2004年4月 单光子探测用于光子统计测量的研究 肖连团降雨强赵延霆尹王保赵建明贾锁堂 (山西大学物理电子工程学院, 量子光学与光量子器件国家重点实验室, 太原 030006. E-mail: xlt@https://www.doczj.com/doc/9315145953.html,) 摘要实验研究了通过记录每一个光子事件直接测量微弱脉冲激光(平均光子数n≈0.1, 脉冲持续时间10ns)的Mandel 参数. 在基于Hanbury-Brown-Twiss探测结构, 取样时间内每个单光子计数器最多探测到一个光子的情况下, 测量发现低于阈值电流工作的二极管激光呈Super-Poisson统计分布. 另外验证了工作于远高于阈值电流的二极管激光(强度噪声主要为散粒噪声)的Poisson分布相干态的Mandel 参数Q C约为?n/2. 在测量误差内, 实验结果与理论分析一致. 关键词光子统计Mandel参数死区时间单光子计数器Poisson分布 辐射源的光量子态特性对于研究近代量子光学中光与物质的相互作用具有重要意义. 对光量子态的严格表述需要密度算符或Wigner函数, 但是这些参数在通常的实验条件下难以测量[1]. 为了进行光场的非经典特性研究, 通常利用基于经典电磁场理论的Hanbury-Brown-Twiss (HBT)结构形式[2]测量光子统计分布. 通过50/50光分束器把光束分为两束, 其中一束经过一个可调变的时间延迟装置, 由两个光电探测器分别接收后进入相关器进行处理, 从而获得两束光强度涨落的关联特性. 这种光子统计测量的方法是单光子源如单原子[3]、单分子[4]和量子点[5]研究中的重要测量手段, 同时在分子生物学[6]和生物化学[7]等学科领域有着广泛的应用. 分析光子统计特性普遍采用对二阶关联函数的测量, 即通过测量一定时间内的光子数和两通道光子事件之间的时间间隔[8], 利用时间幅度转换得到的峰值大小确定光子源的光子分布概率P S(n; n = 0, 1, 2), 计算Mandel参数Q. 但是这种开始-停止的测量方法不能给出光子数在时域上的起伏变化, 同时不能准确给出光子统计概率. 最近Roch小组[4]通过记录两个单光子计数器响应触发式单分子光源输出的每一个事件, 由大量光子计数事件获得统计分布概率P S(n), 直接测量Mandel 参数Q. 利用单光子计数器在死区时间(数十至数百纳秒)不对光子响应的特点,即在测量过程中单光子计数器首先对第1个到达的光子信号响应, 而对后续死区时间到达的光子没有反应, 使得在小于死区时间的取样时间内对每次光脉冲触发信号事件最多只能探测到一个光子. 研究得到基于HBT形式的单光子探测对具有Poisson 光子统计的相干态光脉冲的Mandel 参数Q C = ?n/2, n为平均光子数, 通过比较测得Q与Q C的大小分析单分子光源的光子统计分布特性. 单光子态的量子信息传输是量子密钥分配的物理基础[9]. 在量子密钥分配的实际应用方案中[9,10], 人们通常认为单模二极管激光的光子统计分布特性服从相干态Poisson分布, 通过不断衰减二极管激光强度以降低双光子和更多光子的分布概率, 把具有超低平均光子数(远小于1)的相干态近似为单光子态. 这里我们采用直接测量Q参数的方法研究单模二极管激光脉冲的光子统计分布特性. 通过测量比较连续二极管激光工作于不同驱动电流下强度噪声中的过剩噪声与散粒噪声基准, 研究二极管激光分别工作于阈值电流、强度噪声主要为过剩噪声和远高于阈值电流工作时强度噪声为散粒噪声基准的情况下经脉冲调制和强衰减后(脉冲持续时间10 ns, 平均光子数n≈0.1)的光子统计分布, 并首次给出了这种测量方法的误差分析. 1基于HBT结构的单光子探测与光子统计特性 为了研究光子数随时间的起伏变化, 我们首先给出W个取样周期内光子数随时间的起伏, 定义归一化相对涨落V W, V W ＜(?n)2＞W /＜n＞W, (1) 这里＜(?n)2＞w 2 1 ()/, W i W i n n W = ? ∑<>n i是第i个脉冲激发时探测到的光子数, ＜n＞W是W个激发周期内探测到的平均光子数. 对于＜n＞W = 0, V W定义为1. 对于光电计数为Poisson 分布时V W= 1, 相应V W < 1为Sub-Poisson分布, V W > 1为Super-Poisson 分布. 如图1所示. 如果考虑全部采样事件, 测量结果对应单一相对涨落V. 为了分析光子统计分布, 我们采用Mandel
单光子探测器技术原理简介 1. 工作原理 单光子探测器是一种对微弱光信号进行探测的设备，输入光强度最低可到单光子水平。以通信最常用的1550nm和1310nm光波长为例，单个光子的能量分别为1.28*10-19焦耳和1.52*10-19焦耳，这意味着输入信号能量极其微弱，必须使用特殊的光子检测器件探测输入光子脉冲事件。不同种类的雪崩管服务于不同的探测应用目的，例如基于Si的雪崩管适用于可见光波段检测，InGaAs或InP 的雪崩管更适合近红外波段。 薄结工艺标准CMOS工艺厚结工艺 常见的SACM型InGaAs/InP APD的半导体结构
数据来自Micro Photon Devices公司数据来自Perkin Elmer公司 单光子探测器的工作原理是利用工作于盖革模式（Geiger Mode）下的InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD）进行单光子探测。所谓盖革模式是指APD 工作时要加反向偏压，偏压幅度略微超过雪崩阈值电压，盖革模式与线性模式的区别在于能够将微弱光生载流子放大产生宏观电流。根据对APD施加偏压的波形，将探测器分为门控工作模式和自由运行模式两类。光子入射到APD内部引发雪崩，产生微弱雪崩电流脉冲。探测器内部处理电路采用跨导放大器将微弱电流脉冲转换成电压脉冲并放大、整形，再经过甄别、死时间处理后输出电平、宽度固定的数字脉冲，探测器有脉冲输出表示检测到了输入单光子或微弱光脉冲，而脉冲前沿位置代表光子输入时刻。光子输入事件及其发生事件正是量子信息、单光子雷达等应用关注的最重要内容，单位时间内计数值则反映了输入光强度。入射光子引发雪崩发生后，必须尽快将雪崩淬灭，一方面避免雪崩管过度放电，更重要的是将雪崩管恢复到可用状态，能够及时检测下一个入射光子事件。根据淬灭方式的不同，将探测器分为主动淬灭和被动淬灭两类。
可编程器件应用 电 子 测 量 技 术 EL ECTRONIC M EASUREM EN T TEC HNOLO GY 第30卷第2期2007年2月 雪崩光电二极管在相位式激光测距仪中的应用 孙懋珩 丁 燕 (同济大学电子与信息工程学院 上海 200092) 摘 要:雪崩光电二极管作为光敏接收器件,特别适合用于微弱信号的接收检测,它在相位式激光测距系统中用来接收经过漫反射后微弱的激光信号。针对雪崩二极管反向偏压电路中高纹波的问题,本文设计和分析了一种高效的低纹波偏压电路,实验结果表明,该方法有效抑制了纹波电压。针对雪崩二极管温度漂移的问题,本文设计和分析一种新型的温度补偿电路,使雪崩二极管达到了最佳雪崩增益。针对雪崩二极管噪声问题,分析了主要噪声源,设计了一个低噪声的前置放大电路,实验结果表明,该电路有效地提高了信噪比。综合实验结果表明,这些电路设计对于提高相位式激光测距仪的测量精度是有效的。 关键词:雪崩光电二极管;相位式激光测距;纹波;温度补偿;前置放大电路 中图分类号:TN710.2 文献标识码:A Study on application of avalanche photodiode in phase laser distance measurement Sun Maoheng Ding Yan (School of Electronic and Information Engineering,Tongji University,Shanghai200092) Abstract:As a light2sensitive device,avalanche photodiode is particularly suitable for the receiving and detection of weak signal.Therefore,it is always used to receive weak laser signal in the phase laser distance measuring system.To solve the problem of high ripple in the bias voltage circuit,a high efficient circuit with low ripple is designed and analyzed which restrains the ripple effectively.To solve the problem of temperature drift,a new circuit with temperature compensation is designed and analyzed which enables A PD to reach the optimal avalanche gain.To solve the problem of noise,the major noises of A PD are analyzed and a preamplifier circuit with low noise is designed which raise the signal2 to2noise ratio effectively.The results of the experiment indicate that these circuit designs raise the measuring accuracy of the phase laser distance measuring system effectively. K eyw ords:avalanche photodiode;phase laser distance measurement;ripple;temperature compensation;preamplifier 0 引 言 在相位式激光测距仪的激光接收部分中,雪崩二极管作用非常关键。在激光测距仪中,激光从发射到接收,由于经过目标的漫反射以及衰减,接收到的激光信号非常微弱,使得接收检测相对较为困难,所以一般都用雪崩光电二极管作为光敏接收器件[1]。雪崩二极管具有很高的内部增益,响应速度非常快,但要使雪崩二极管发挥其优异的特性,必须给它提供一个较高的反向偏置电压(一般在几十伏以上甚至几百伏。一般的开关电源可以达到这么高的电压要求,但伴随着会有相对较大纹波电压,电源的纹波电压变化范围越大,对雪崩二极管的影响就越大,它会严重影响到雪崩二极管的最佳增益。针对这一情况,本文提出的一种高效的低纹波偏压电路是通过从高压输出端引出一个反馈电路,直接反馈到高压电路的电源端,通过改变电源电压来改变高压输出。在实验中测得的输出高压的纹波与之前未经低纹波设计的高压电路相比,纹波电压得到了很好的抑制。对于雪崩二极管来说,一个小小的温度变化就能引起增益的很大变化,为了保证温度变化时增益值不变,就必须改变PN结倍增区的电场,因此必须接入一个温度补偿电路,在温度变化时来调整光检测器的偏置电压。本文设计了一个新型的温度补偿电路,用一个模拟温度传感器及一个运放,通过简单的计算公式进行参数配置,最终得出一条与A PD最佳增益非常匹配的反向高压输出曲线。雪崩二极管在倍增过程中产生的附加噪声会大大降低测量的性能,为达到最大信噪比,提高相位式激光测距仪的测量精度,本文对其噪声进行了分析并且设计了一个有效的前置放大电路。实验结果表明,该电路有效地提高了信噪比。将这些电路在相位式激光测距仪接收模块中应用,结果表明,它们对于提高相位式激光测
1.5μm单光子探测器在激光遥感中的应用 单光子探测器作为最精密的测量仪器,可探测到光的最小单元,单个光子。单光子检测技术己广泛应用在激光雷达、分布式光纤探测器、生物荧光检测、量子信息、光学成像等领域。目前,1.5 μm波段单光子探测器主要包括超导纳米线单光子探测器、频率上转换单光子探测器、InGaAs/InP单光子雪崩二极管。1.5 μm波段气溶胶激光雷达具有人眼安全,大气透过率高,受瑞利散射干扰小,太阳背景辐射弱的优点。 本论文针对这三个探测器的特点,分别研制了不同类型的激光遥感设备。本论文的主要工作如下:1.研制了基于上转换单光子探测器的人眼安全1.5μm微脉冲气溶胶激光雷达。采用高探测效率和超低噪声的上转换单光子探测器,实现了大气回波信号的高信噪比探测。在脉冲能量为110μJ,望远镜口径100mm,时间分辨率5分钟,激光雷达实现了水平距离7km的大气气溶胶探测。 在验证实验中,上转换气溶胶激光雷达实现了对大气能见度的昼夜连续24 小时的观测。2.研制了 1.5μm波段的全光纤、微脉冲、人眼安全的高光谱分辨测风激光雷达。通过采用基于扫描Fabry-Perot干涉仪的高光谱分辨率技术,以及单光子检测技术,同时获得了大气气溶胶谱的频移和谱宽信息。在验证实验中,当时间分辨率1分钟时,水平探测距离达到4km。 在距离为1.8km的位置,距离分辨率由30m变换到60m。对比实验中,高光谱分辨测风激光雷达的径向风速测量结果与超声风场传感器Vaisala所得测量结果吻合。根据经验公式,风速的标准偏差在1.8km处为0.76m/s,光谱展宽的标准偏差在1.8km处为2.07MHz。3.研制了基于1.5 μm波段的结构紧凑、人眼安全、双边缘直接探测多普勒测风激光雷达。 通过采用全光纤保偏结构,保证了光学耦合效率,提高了系统稳定性。通过采用时分复用技术,仅采用单通道Fabry-Peort干涉仪和单通道上转换单光子探测器,实现了双边缘探测技术。校准实验中,系统的相对误差低于0.1%。验证实验中,双边缘测风激光雷达实现了连续48小时的大气的风场和能见度探测。 该激光雷达的测量结果与超声测风传感器具有很好的一致性,速度的标准偏差为1.04 m/s,方向的标准偏差为12.3°。4.研制了基于自由运行InGaAs/InP 单光子探测器的1.5气溶胶激光雷达。针对激光雷达应用,对自由运转单光子探
雪崩光电探测器 雪崩光电探测器光电探测器是将光信号转变为电信号的器件，雪崩光电探测器采用的即是雪崩光电二极管(APD) ，能够具有更大的响应度。APD将主要应用于长距离或接收光功率受到其它限制而较小的光纤通信系统。目前很多光器件专家对APD 的前景十分看好，认为APD 的研究对于增强相关领域的国际竞争力，是十分必要的。雪崩光电探测器的材料1)Si Si 材料技术是一种成熟技术，广泛应用于微电子领域，但并不适合制备目前光通信领域普遍接受的 1.31mm,1.55mm 波长范围的器件。 2)Ge Ge APD 虽然光谱响应适合光纤传输低损耗、低色散的要求，但在制备工艺中存在很大的困难。而且，Ge的电子和空穴的 离化率比率( )接近1，因此很难制备出高性能的APD 器件。 3)In0.53Ga0.47As/InP 选择In0.53Ga0.47As 作为APD 的光吸收层，InP 作为倍增层，是一种比较有效的方法[2] 。In0.53Ga0.47As 材料的吸收峰值在 1.65mm, 在 1.31mm,1.55mm 波长有约为104cm-1 高吸收系数，是目前光探测器吸收层首选材料。In0.53Ga0.47As 光电二极管比起Ge 光电二极管，有如下优点：（1） In0.53Ga0.47As 是直接带隙半导体，吸收系数高；（2） In0.53Ga0.47As 介电常数比Ge 小，要得到与Ge 光电二极管相
同的量子效率和电容，可以减少In0.53Ga0.47As 耗尽层的厚度，因此可以预期In0.53Ga0.47As/InP 光二极管具有高的效应和响应；（3）电子和空穴的离化率比率（）不是1，也就是说In0.53Ga0.47As/InP APD 噪声较低；（4） In0.53Ga0.47As 与InP 晶格完全匹配，用MOCVD 方法在InP 衬底上可以生长出高质量的In0.53Ga0.47As 外延层，可以显着的降低通过p-n 结的暗电流。（5）In0.53Ga0.47As/InP 异质结构外延技术，很容易在吸收区生长较高带隙的窗口层，由此可以消除表面复合对量子效率的影响。 4）InGaAsP/InP 选择InGaAsP 作为光吸收层，InP 作为倍增层,可以制备响应波长在1-1.4mm ，高量子效率，低暗电流，高雪崩增益得的APD 。通过选择不同的合金组分，满足对特定波长的最佳性能。 ）InGaAs/InAlAs ln0.52AI0.48As 材料带隙宽（1.47 eV）,在 1.55 mm 波长范围不吸收，有证据显示，薄In0.52Al0.48As 外延层在纯电子注入的条件下，作为倍增层材料，可以获得比lnP 更好的增益特性。 6）InGaAs/InGaAs（P）/InAlAs 和InGaAs/In（Al ）GaAs/InAlAs 材料的碰撞离化率是影响APD 性能的重要因素。研究表明[6] ，可以通过引入InGaAs（P）/InAlAs 和In（Al ）GaAs/InAlAs 超晶格结构提高倍增层的碰撞离化率。应用超晶格结构这一能带工程可以人为控制导带和价带值间的非对称性带边不连续性，并保证
雪崩光电二极管工作特性及等效电路模型 一．工作特性 雪崩光电二极管为具有内增益的一种光生伏特器件，它利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应，以获得光电流的增益。在雪崩过程中，光生载流子在强电场的作用下 进行高速定向运动，具很高动能的光生电子或空穴与晶格院子碰撞，使晶格原子电离产生二次电子---空穴对；二次电子---空穴对在电场的作用下获得足够的动能，又是晶格原子电离产生新的电子----空穴对，此过程像“雪崩”似的继续下去。电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加，其电流倍增系数定义为： 0/M I I = 式中I 为倍增输出电流，0I 为倍增前的输出电流。 雪崩倍增系数M 与碰撞电离率有密切关系，碰撞电离率表示一个载流子在电场作用下 ，漂移单位距离所产生的电子----空穴对数目。实际上电子电离率n α 和空穴电离率p α是不完全一样的，他们都与电场强度有密切关系。由实验确定，电离率α与电场强度E J 近似有以下关系： ( ) m b E Ae α-= 式中，A ，b ，m 都为与材料有关的系数。 假定n p ααα==，可以推出 0 1 1D X M dx α= - ? 式中, D X 为耗尽层的宽度。上式表明，当 1D X dx α→? 时，M →∞。因此称上式为发生雪崩击穿的条件。其物理意义是：在电场作用下，当通过耗尽区的每个载流子平均能产生一对电子----空穴对，就发生雪崩击穿现象。当 M →∞时，P N 结上所加的反向偏压就是雪崩击穿电压B R U . 实验发现，在反向偏压略低于击穿电压时，也会发生雪崩倍增现象，不过这时的M 值较小，M 随反向偏压U 的变化可用经验公式近似表示为 11() n BR M U U = - 式中，指数n 与P N 结得结构有关。对N P +结，2n ≈;对P N + 结，4n ≈。由上式可见， 当BR U U →时，M →∞，P N 结将发生击穿。 适当调节雪崩光电二极管的工作偏压，便可得到较大的倍增系数。目前，雪崩光电二
中国科学:信息科学2014年第44卷第3期:370–388 https://www.doczj.com/doc/9315145953.html, https://www.doczj.com/doc/9315145953.html, 超导纳米线单光子探测技术进展 尤立星xy x信息功能材料国家重点实验室,中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050 y中国科学院上海超导中心,上海200050 E-mail:lxyou@https://www.doczj.com/doc/9315145953.html, 收稿日期:2013–05–27;接受日期:2014–01–03 国家自然科学基金(批准号:91121022)、国家重点基础研究发展计划(批准号:2011CBA00202)、国家高技术研究发展计划(批准号:2011AA010802)和中国科学院战略性先导科技专项(B类)(批准号:XDB04010200,XDB04020100)资助项目 摘要超导纳米线单光子探测技术自2001年出现以来,已经成为超导电子学领域的一个热点研究方向.作为一种新型的单光子探测技术,其具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小、计数率高、响应频谱宽、电路简单等优势,综合性能在近红外波段已经明显超越传统的半导体探测技术,成为一种主流的单光子探测技术.本文从应用基础角度出发,对超导纳米线单光子探测器件的材料、器件工艺、性能、系统集成以及前沿应用等进行介绍,并对国际上该领域研究未来的发展趋势进行探讨. 关键词单光子探测超导纳米线单光子探测量子通信探测效率暗计数时间抖动 1引言 探测技术是对于物质实现有效感知的技术,极限灵敏度探测能力是探测技术发展的终极目标.对于光来说,光能量的最小单位是一个光子,这是由量子理论确定的不可再分的量子极限.因此光探测能力的极限将是实现单个光子探测.单光子探测技术(single photon detector/detection,SPD)作为极限灵敏度光信号测量技术,在量子信息技术、物理、化学、生物和天文等领域具有不可替代的作用.特别是在量子信息领域,单光子探测技术已经成为该领域发展不可或缺的核心关键技术之一. 在量子信息、生物荧光分析、激光雷达等应用对SPD技术需求推动下,基于硅材料的雪崩光电二极管(APD),光电倍增管(PMT)等SPD技术发展迅速,已经出现一些较为成熟的商用半导体单光子探测器产品,著名的产品厂商包括德国PicoQuant公司、Excelitas公司、瑞士的ID Quantique 公司、法国AUREA公司和日本Hamamatsu公司等.这些SPD已经获得了较为广泛的应用.但是多数SPD只能工作在可见光区域.近红外波段很多应用(光纤量子通信等)对在近红外波段工作的SPD提出了迫切的需求.基于Si的APD和PMT由于材料禁带宽度的制约无法实现近红外波段单光子的有效探测.为此发展了基于窄禁带半导体材料InGaAs/InP的SPD1).其典型探测效率在1550nm可达到20%,但是其暗计数率通常很高(10KHz左右),且计数率低,时间抖动较大,整体性能和可见光波段SPD相差甚远.因此亟需发展新型近红外波段高性能单光子探测技术.在此背景下,很多近红外波段新型单光子探测技术应运而生,包括频率上转换探测[1],量子点探测器[2]以及 1)Website:https://www.doczj.com/doc/9315145953.html,/en/
光电子技术论文报告 班级： 姓名： 学号： 成绩： 指导教 师： 完成日 期
本文主要对光电探测器进行探究，重点介绍光电二极管和光电倍增管，光电二极管中主要介绍PIN 光电二极管和雪崩光电二极管。对相应的光电探测器的结构、原理、特性参数及应用范围等展开探讨，以进一步了解光电探测器。 关键词：PIN 光电二极管雪崩光电二极管光电倍增管
第一章引言 (1) 第二章光电二极管 (2) 2.1P IN 光电二极管 . (2) 2.1.1工作原理 (2) 2.1.2结构 (2) 2.1.3影响因素 (3) 2.2雪崩光电二极管 (3) 2.2.1工作原理 (3) 2.2.2影响响应速度的因素 (4) 2.2.3优点 (4) 第三章光电倍增管 (5) 3.1结构 (5) 3.2使用特性 (5) 第四章结论与讨论 (9) 第五章参考文献 (10)
第一章引言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。广义的光电探测器包括所有将光辐射能转变为电信号的一类器件。光电探测器能把光信号转换为电信号。根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可分为两大类：一类是光子探测器；另一类是热探测器。本文着重介绍光子探测器中的光电二极管和光电倍增管。
第二章光电二极管 光电二极管和普通二极管一样，也是由一个PN 结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。光电二极管是在反向电压作用之下工作的，在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。 2.1P IN 光电二极管 PIN型光电二极管也称PIN 结二极管、PIN 二极管，在两种半导体之间的PN 结，或者半导体与金属之间的结的邻近区域，在P区与N区之间生成I型层，吸收光辐射而产生光电流的一种光检测器。具有结电容小、渡越时间短、灵敏度高等优点 2.1.1工作原理 在上述的光电二极管的PN 结中间掺入一层浓度很低的N 型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征( Intrinsic)半导体，故称I 层，因此这种结构成为PIN 光电二极管。I 层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I 层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I 层两侧是掺杂浓度很高的P 型和N 型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。 2.1.2结构 在P 型半导体和N 型半导体之间夹着一层本征半导体。因为本征层相对于P 区和N 区是高阻区这样，PN 结的内电场就基本上全集中于I 层中。如 图所示：
半导体雪崩光电二极管 半导体雪崩光电二极管 semiconductor avalanche photodiode 具有内部光电流增益的半导体光电子器件，又称固态光电倍增管。它应用光生载流子在二极管耗尽层内的碰撞电离效应而获得光电流的雪崩倍增。这种器件具有小型、灵敏、快速等优点，适用于以微弱光信号的探测和接收，在光纤通信、激光测距和其他光电转换数据处理等系统中应用较广。 当一个半导体二极管加上足够高的反向偏压时，在耗尽层内运动的载流子就可能因碰撞电离效应而获得雪崩倍增。人们最初在研究半导体二极管的反向击穿机构时发现了这种现象。当载流子的雪崩增益非常高时，二极管进入雪崩击穿状态；在此以前，只要耗尽层中的电场足以引起碰撞电离，则通过耗尽层的载流子就会具有某个平均的雪崩倍增值。 碰撞电离效应也可以引起光生载流子的雪崩倍增，从而使半导体光电二极管具有内部的光电流增益。1953年，K.G.麦克凯和K.B.麦卡菲报道锗和硅的PN结在接近击穿时的光电流倍增现象。1955年，S.L.密勒指出在突变PN结中，载流子的倍增因子M随反向偏压V的变化可以近似用下列经验公式表示 M＝1/[1-(V/VB)n] 式中VB是体击穿电压,n是一个与材料性质及注入载流子的类型有关的指数。当外加偏压非常接近于体击穿电压时，二极管获得很高的光电流增益。PN结在任何小的局部区域的提前击穿都会使二极管的使用受到限制，因而只有当一个实际的器件在整个PN结面上是高度均匀时，才能获得高的有用的平均光电流增益。因此，从工作状态来说，雪崩光电二极管实际上是工作于接近（但没有达到）雪崩击穿状态的、高度均匀的半导体光电二极管。1965年，K.M.约翰逊及L.K.安德森等分别报道了在微波频率下仍然具有相当高光电流增益的、均匀击穿的半导体雪崩光电二极管。从此，雪崩光电二极管作为一种新型、高速、灵敏的固态光电探测器件渐渐受到重视。 性能良好的雪崩光电二极管的光电流平均增益嚔可以达到几十、几百倍甚至更大。半导体中两种载流子的碰撞离化能力可能不同，因而使具有较高离化能力的载流子注入到耗尽区有利于在相同的电场条件下获得较高的雪崩倍增。但是，光电流的这种雪崩倍增并不是绝对理想的。一方面，由于嚔随注入光强的增加而下降，使雪崩光电二极管的线性范围受到一定的限制，另一方面更重要的是，由于载流子的碰撞电离是一种随机的过程，亦即每一个别的载流子在耗尽层内所获得的雪崩增益可以有很广泛的几率分布,因而倍增后的光电流I比倍增前的光电流I0有更大的随机起伏，即光电流中的噪声有附加的增加。与真空光电倍增管相比，由于半导体中两种载流子都具有离化能力，使得这种起伏更为严重。一般将光电流中的均方噪声电流〈i戬〉表示为 〈i戬〉＝2qI0嚔2F(嚔)B
单光子探测技术典型应用 单光子探测是一种探测超低噪声的技术，增强的灵敏度使其能够探测到光的最小能量量子——光子。单光子探测器可以对单个光子进行计数，实现对极微弱目标信号的探测，因此也活跃在许多可获得的信号强度仅为几个光子能量级的新兴应用领域中。 人眼安全激光雷达 激光雷达是一种基于光学探测与测距的光学遥感技术，实用窄线宽短脉冲激光在大气中进行光子激射从而产生背向散射。接收这些微弱的背向散射信号需要用到单光子计数器等高灵敏度的光学探测设备。今天，激光雷达活跃在污染监测，空气质量分析，气候学等很多领域。 激光雷达典型应用 量子密码学／量子密钥分配 量子密码学／量子密钥分配是一种非常前沿的技术，它利用量子物理特性获得传统技术无法企及的安全传输保证。这种技术基于量子原理将秘钥安全保密的分配给通信双方。同光纤通信技术相结合，实现量子密钥分配需要将光信号能量降低至光子水平，因此，高精度的光子探测设备是必须的。在此类应用里，单光子源／双光子纠缠源，单光子计数器都需要用到。特别是单光子计数器，它不仅能够接收极低水平的量子密钥信号，还能够探测不明侵入，从而保障系统安全。 量子通信
光子源特性测试 随着量子物理技术、非线性技术和量子点技术的进步和发展，单光子源和光子纠缠源的开发需求日益增多。在这些设备的开发过程中，需要高灵敏度的检测手段来对其进行特性分析和测试，单光子计数器就是一种有效的手段。 荧光测量 莹光时间测量技术（Fluorescence Timing Measurement）被应用在很多科研和工业领域，例如：分子特性，纳米技术和成像显微技术等等。莹光信号是一种非常微弱的光信号，因此需要非常灵敏的光学探测器进行探测，单光子计数器就是不二之选。
单光子探测器及其发展 摘要：本文介绍了光电倍增管单光子探测器、雪崩光电二极管单光子探测器和真空单光子探测器以及它们的基本工作原理和特性，分析了它们各自的优缺点和未来的发展方向。 关键词：单光子探测；光电倍增管（PMT）；雪崩光电二极管（APD）；真空雪崩光电二极管（VAPD） 中图分类号：TP21.14 文献标识码：A 一、引言 单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性 物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物 发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、 量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。由于单光子 探测器在高技术领域的重要地位，它已经成为各发达国 家光电子学界重点研究的课题之一。 二、单光子探测器的原理及种类 单光子探测是一种极微弱光探测法，它所探测的光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平（10-14W）还要低，用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。单光子计数方法利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其弱的信号识别并提取出来。这种技术和模拟检测技术相比有如下优点[1]： （1）测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以及其它不稳定因素的影响较小； （2）消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高了测量结果的信噪比；（3）有比较宽的线性动态区； （4）可输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字数据处理。 入射的光子信号打到光电倍增器件上产生光电子，然后经过倍增系统倍增产生电脉冲信号，称为单光子脉冲。计数电路对这些脉冲的计数率随脉冲幅度大小的分布如图1所示。脉冲幅度较小的脉冲是探测器噪声，其中主要是热噪声；脉冲幅度较大的是单光电子峰。V h为鉴别电平，用它来把高于V h的脉冲鉴别输出，以实现单光子计数。 可用来作为单光子计数的光电器件有许多种，如光电倍增管（PMT）、雪崩光电二极管（APD）、增强型光电极管（IPD）、微通道板（MCP）、微球板（MSP）和真空光电二极管（VAPD）等。 1、光电倍增管（PMT）单光子探测器 光电倍增管是利用光的外光电效应的一种光电器件，主要由光电阴极和打拿极构成。其工作原理如下：首先光电阴极吸收光子并产生外光电效应，发射光电子，光电子在外电场的作用下被加速后打到打拿极并产生二次电子发射，二次电子又
单光子探测器 单光子探测器是进行光子探测的实验设备，它通常只能探测光子的有或者没有，不能直接给出光量子态的完整信息，要想从探测结果来重构光量子态信息，需要结合其他的理论和实验手段。目前在可见和红外波段，单个光子的能量约为10-19 J，实现对如此低能量粒子的准确探测是很有挑战的工作。早期的单光子主要是光电倍增管，随着材料科学和量子信息科学的发展，单光子探测器的类型也逐渐丰富起来，这里主要介绍单光子探测器性能的主要指标：特征波长范围，死时间，暗计数，探测效率，时间抖动，光子数分辨能力。 探测器的特征波长范围指的是探测器能够响应的光谱频率范围。目前的单光子探测器都只对某一波段的光子敏感，这是由探测器的制作材料及加工工艺决定的，而探测器的光谱响应特性也决定了它的应用范围。例如对自由空间的量子通信来说，使用的光子波长主要集中在可见光波段400nm-1060nm或者近红外波段900nm-1700nm，需要对这一波段较敏感的探测器;而对于光通信来说，由于光纤在1550nm这个波长具有最小的损耗，所以对基于光纤的量子信息网络，探测器必须对1550nm光子有足够高的探测效率。 当探测器探测到一个光子之后，在一定的时间内，探测器不能响应新的光子，这一段时间称为探测器的死时间，一般来说死时间越短越好。在当前的技术条件下，死时间取决于探测器的电子学后处理系统而非探测器的感光材料。例如，对于基于雪崩二极管的单光子探测器，当探测器探测到一个光子之后，探测器需要抑制这个信号带来的后脉冲信号，这样就必须将探测器关断一段时间，等到前一个探测器的后脉冲信号基本消除之后才能重新开启，这一段时间就是雪崩二极管的单光子探测器的死时间，可见光波段400nm-1060nm探测器的死时间一般固定为33ns,近红外波段900nm-1700nm探测器的死时间一般从500ns到1ms可调，死时间决定了探测器的最大计数率。 当没有光子进入探测器时，探测器仍然有计数率，这就是暗计数。暗计数是由于感光材料的缺陷，电压偏置和外界环境的干扰比如温度，湿度，热噪声等因素引起的。暗计数对实验的信噪比有直接影响，因此降低暗计数是单光子探测器发展的重要目标。现在法国Aurea Technology的单光子探测器暗计数可以做到小于25cps（世界第一）. 探测效率指的是当有光子进入探测器的时候，它被探测到的概率。目前商用探测器的最大探测效率约为70%，如Aurea Technology生产的SPD_A_VIS.提高探测效率在
单光子探测器能够探测到光的最小能量量子——光子。单光子探测器可对单个光子进行探测和计数，在信号强度仅为几个光子能量级的条件下，单光子探测器的作用十分巨大。（资料图） 光子，是光的最小能量量子。单光子探测技术，是近些年刚刚起步的一种新式光电探测技术，其原理是利用新式光电效应，可对入射的单个光子进行计数，以实现对极微弱目标信号的探测。有关专家认为，单光子探测技术能将现有的机载光电探测距离从几十公里提高到几千公里，势必带来机载目标探测系统的革命，极大地改变未来空天战场的作战方式。 隐身飞机将无处“隐身”。F－22、B－2等飞机高超的隐身性能，几乎使现役雷达和光电探测系统变成“瞎子”。但单光子探测系统极高的探测灵敏度，即使对F－22、B－2这样的隐身飞机，作用距离也可达到几百到几千公里，可在极远距离上发现隐身飞机，使其“无处遁形”。空战将从“中距”拉向“远距”。配装单光子探测系统的作战飞机，由于对空目标探测距离极远，将使空中作战从目前的中距进一步扩为远距。如：配挂单光子超远程空空导弹，火力攻击距离可达到几百到几千公里之外。空中战争将从传统的几十公里的超视距作战变为间隔几千公里的非接触战争。 “全球感知，全球打击”成为可能。利用空中平台或临近空间平台配装单光子探测系统，构建单光子探测网络，只需几部单光子探测系统就可实现对领空的全域覆盖。在此基础上用地面或空中远程导弹构建空中地面联合火力网，把单光子探测网络作为网络中心战的目标探测网络系统，可对任何位置（地面或空中）发射的导弹进行目标指引，有效攻击全球目标，实现“全球感知，全球打击”。（曾尧徐文）
单光子探测技术，极大提高了传感器的灵敏度，使一些以往难以涉及的观测领域向人类开放，在生物光子学、医学影像、非破坏性材料检查、国土安全与监视、军事视觉与导航、量子成像以及加密系统等方面有很高价值。图为单光子探侧技术的部分应用原理图。（资料图）
超导纳米线单光子探测器的原理特点以及应用 ?超导纳米线单光子探测器（SNSPD：Superconducting nanowire single-photon detector）作为一种高性能的单光子探测器，已经广泛的应用于量子信息、激光雷达、深空通信等领域，有力推动了相关领域的科技发展。SNSPD 器件主要有两种光耦合方式，一种是垂直光耦合方式，光纤端面平行于SNSPD光敏面，光子垂直入射到纳米线上，采用光学腔体或者反射镜结构实现高效光耦合。利用该类耦合结构，上海微系统所已实现NbN基SNSPD系统探测效率超过90%，相关结果发表后受到了国内外广泛关注。该光耦合结构的特点是，可以实现高光耦合效率，但是受限于光耦合结构，工作波长范围受限。另外一种光耦合方式是波导光耦合方式，将纳米线制备在光波导上，可以实现高效的本征吸收。但是光纤到波导的耦合效率较低，使得这类器件仅能作为片上光子学的解决方案，无法作为独立单光子探测器使用。上海微系统所/中国科学院超导电子学卓越创新中心尤立星研究员团队和浙江大学方伟、童利民教授团队合作，首次提出了微纳光纤耦合的SNSPD器件结构。该结构将SNSPD器件置于微纳光纤的倏逝场内，从而实现纳米线对微纳光纤中传输的光子吸收。光学计算显示，该类结构有望实现高吸收效率的同时，保持很好地宽谱特性【Optics Communications 405: 48-52. (2017)】。经过上海微系统所巫君杰博士和浙江大学徐颖鑫博士等近3年实验探索，团队终于成功研制微纳光纤耦合SNSPD器件。在1550 nm/1064 nm工作波长，系统探测效率分别达到20%/50%。相关成果近日发表于Optics Express。该结果有望在新型SNSPD器件及微纳光纤领域开辟新的研究方向。该工作得到了本文工作获得了国家重点研发计划项目“高性能单光子探测技术”