Einzelphotonenlawinendiode

Heinke Hirschmann April 6, 2016 E 17 0
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Ein durch Einzelphotonlawinendiode ist eine Halbleiterphotodetektor, in dem ein lichterzeugten Träger kann einen Lawinenstrom aufgrund der Stoßionisation Mechanismus auszulösen. Dieses Gerät ist in der Lage, niedrige Intensitätssignale zu detektieren und die Ankunftszeiten der Photonen mit einem Jitter von einigen zehn Pikosekunden signalisieren.

SPADs wie Avalanche-Photodioden, nutzen die Photonen ausgelösten Lawinenstrom eines Sperrrichtung vorgespannte pn-Übergang, eine einfallende Strahlung zu detektieren. Der grundlegende Unterschied zwischen SPAD und APD ist, dass SPADs sind speziell dafür ausgelegt, um mit einer Sperrspannung weit über der Durchbruchspannung betrieben werden. Diese Art der Operation wird auch Geiger-Modus in der Literatur genannt wird, in Analogie mit dem Geigerzähler.

Funktionsprinzip

SPADs sind Halbleiterbauelemente auf der Basis eines pn-Überganges bei einer Spannung Va höher ist als VB in Sperrichtung vorgespannt. "Zu dieser Bias, das elektrische Feld ist so hoch, dass ein einzelner Ladungsträger in die Verarmungsschicht injiziert einen sich selbst tragenden Lawinen schnell auf einem makroskopischen konstanten Niveau im Milliampere-Bereich auslösen. Der Strom steigt. Wenn der primäre Träger photo erzeugt wird, die Vorderkante des Lawinenimpuls markiert die Ankunftszeit des detektierten Photons ". Der Strom weiter, bis die Lawine durch Absenken der Vorspannung VD auf oder unter VB abgeschreckt: der untere elektrische Feld ist nicht mehr in der Lage, um Träger zu beschleunigen, um schlag ionisieren mit Gitteratome daher kein Strom mehr. Um in der Lage, eine andere Photonen detektieren zu können, muß die Vorspannung wieder über Pannen angehoben werden.

"Dieser Vorgang erfordert eine geeignete Schaltung, die aufweist:

  • erfassen die Vorderkante des Lawinenstroms.
  • Erzeugen eines Standard-Ausgangsimpuls synchron mit dem Avalanche-Aufbau.
  • quenchen die Lawine durch Absenken der Vorspannung auf die Durchbruchspannung.
  • Wiederherstellung der Fotodiode auf der operativen Ebene.

Diese Schaltung wird üblicherweise als eine Löschschaltung bezeichnet. "

Passive Abschrecken

Die einfachste Löschschaltung wird allgemein als Passive Löschschaltung und einem einzigen Widerstand in Reihe mit der SPAD besteht. Dieser Versuchsaufbau ist seit den frühen Studien über die Lawinendurchbruch in Übergängen eingesetzt. Der Lawinenstrom selbst löscht einfach, weil es einen Spannungsabfall über einen hochohmigen Ballastbeschwerung RL entwickelt. Nach dem Abschrecken des Lawinenstroms, der SPAD-Vorspannung VD wieder langsam auf Va, und deshalb ist der Detektor bereit, wieder gezündet werden. Eine detaillierte Beschreibung der Löschvorgang durch Zappa et al.

Das aktive Löschen

Eine erweiterte Löschschema wird als aktive Abschrecken. In diesem Fall ein schnelles Diskriminator erfaßt die steilen Einsetzen der Lawinenstrom über einen 50 Ω-Widerstand und liefert ein digitales Ausgangsimpulses, synchron mit dem Photonenankunftszeit. Dann senkt schnell die Vorspannung auf unter Aufteilung dann verhältnismäßig schnell wieder Vorspannung über der Durchbruchsspannung bereit, die nächste Photonen erfassen.

Photonenzählung und Timing

Die Intensität des Signals wird durch Zählen der Anzahl der Ausgangsimpulse innerhalb eines Messzeitschlitz erhalten, während die zeitabhängige Wellenform des Signals durch die Messung der Zeitverteilung der Ausgangsimpulse erhalten. Letztere wird mittels Betrieb der Single Photon Avalanche Diodendetektor in Time Correlated Single Photon Counting-Modus erhalten.

Saturation

Während die Lawinenrückgewinnungsschaltung ist Abschrecken der Lawine und die Wiederherstellung Bias kann die SPAD Photonen nicht erkennen. Etwaige Photonen, die den Detektor während dieser kurzen Zeit erreicht werden nicht gezählt. Als die Anzahl der Photonen erhöht, so dass das Zeitintervall zwischen den Photonen innerhalb einem Faktor von zehn oder so der Lawinenerholungszeit erhält, fehlenden Zählungen werden statistisch signifikant und die Zählrate beginnt, von einer linearen Beziehung zu erfassten Lichtniveau abzurücken. An diesem Punkt beginnt die SPAD zu sättigen. Wenn der Lichtpegel waren weiter zu erhöhen, was letztlich zu dem Punkt, wo die SPAD Lawinen sofort nach dem die Lawine Wiederherstellungsschaltung wiederhergestellt Vorspannung erreicht die Zählrate eine rein von der Lawine Erholzeit definierten Maximum. Dies kann schädlich für die SPAD sein, da es nahezu kontinuierlich erleben Lawinenstrom.

Innengeräusche

Neben Photonen erzeugten Ladungsträger können thermisch erzeugten Ladungsträger auch Feuer der Lawinenprozess. Daher ist es möglich, zu beobachten, wenn die Ausgangsimpulse SPAD ist in vollständiger Dunkelheit. Die sich ergebende Durchschnittszahl der Zählungen pro Sekunde wird als Dunkelzählrate und ist der Schlüsselparameter bei der Definition des Detektorrauschen. Es ist erwähnenswert, dass der Kehrwert der Dunkelzählrate definiert die mittlere Zeit, die die SPAD bleibt voreingenommen oben Aufschlüsselung, bevor sie durch einen unerwünschten Wärmeerzeugung ausgelöst wird. Daher wird, um als ein Einzelphotonendetektor zu arbeiten, der SPAD muss oben Aufschlüsselung für eine ausreichend lange Zeit vorgespannt bleiben.

I-V-Kenn

Wenn eine SPAD wird von einem Analog-Kurve-Tracers beobachtet wird, ist es möglich, eine Verzweigung der Strom-Spannungskenn jenseits Abbau während der Spannungsdurchläufe auf die Vorrichtung aufgebracht beobachten. Wenn die Lawine ausgelöst wird, erleidet das SPAD Lawinenstroms statt, wenn kein Träger erzeugt worden ist, fließt keine Ladung durch die SPAD. Wenn der SPAD während eines Sweep oben Panne, einem Übergang von der off-Zweig zu dem on-Filiale ausgelöst kann leicht beobachtet werden.

Vergleich mit APDs

Beide APDs und SPADs in Sperrichtung vorgespannt Halbleiter-pn-Übergänge. Jedoch APDs nahe unterhalb der Durchbruchspannung der Halbleitervorgespannt ist, aber. Dieses hohe elektrische Feld stellt eine interne Multiplikationsverstärkung nur in der Größenordnung von einigen hundert, da der Lawinenprozeß nicht wie in SPADs divergierend. Die resultierende Lawinenstromstärke linear mit der optischen Signalintensität bezogen. A SPAD jedoch arbeitet mit einer Vorspannung über der Durchbruchspannung. Da das Gerät in dieser instabilen oben Aufschlüsselung Regime arbeitet, kann ein einzelnes Photon löste eine signifikante Lawine von Elektronen. Praktisch bedeutet dies, dass in einer APD ein einzelnes Photon erzeugt nur einige zehn oder einige hundert Elektronen, aber in einer SPAD ein einzelnes Photon löst ein Strom im Bereich mA, die leicht sein kann "gezählt".

Daher wird, während die APD einen linearen Verstärker zum optischen Eingangssignal mit begrenzter Verstärkung wird die SPAD einen Auslösevorrichtung so die Verstärkung Konzept bedeutungslos.

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