光电探测器

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。2.常用光电探测器光电管、光敏电阻、光电二极管、光电倍增管、光电池、四象限探测器、热电偶、热释电探测器等。3.光电探测器的性能参数主要有：①量子效率②响应度③光谱响应度④频率响应度⑤噪音等效功率⑥探测度D与归一化探测度D*①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:hPeI//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。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。响应度分为电压响应度和电流响应度。电压响应度Rv光电探测器件输出电压与入射光功率之比PVRsVPIRsI电流响应度RI光电探测器件输出电流与入射光功率之比光谱响应度R(λ)是响应度随波长变化的性能参数。大多数光电探测器具有光谱选择性。定义：探测器在波长为λ的单色光照射下，输出电压或电流与入射光功率之比。)()()(PVRsV③光谱响应度)()()(PIRsI2/120])2(1[)(fRfR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：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。④频率响应度⑤噪声等效功率定义：单位信噪比时的入射光功率。表达式为nsVVPNEP/NEP越小，噪声越小，探测器探测能力就越强。噪声等效功率(NEP)是描述光电探测器探测能力的参数。⑥探测度D与归一化探测度D*1.探测度D为噪声等效功率的倒数，即1DNEP*1/2*1()dDDAfNEP2.归一化探测度D*由于D与探测器的面积Ad和放大器带宽Δf乘积的平方根成正比，为消除这一影响，定义：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。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。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雪崩光电二极管（APD）是一种在PN结上进行重掺杂而形成的光电探测器件，通常工作在强反偏压模式下，基于碰撞电离和雪崩倍增的物理机制对光电流进行放大。在强反偏压模式下，APD的耗尽层存在强电场，光子入射后激发的自由载流子扩散进耗尽层后受到强电场的作用而进行高速的漂移运动，因而具有极高的概率能与晶格发生碰撞。所谓碰撞电离，就是指载流子将原子从晶格中撞出从而造成新的电子空穴对的过程。强电场作用下，新生的电子空穴对继续碰撞晶格，使得上述的碰撞电离继续发生，而新的电子空穴对也不断产生，PN结内的自由载流子越聚越多，反向电流急剧增大，这种作用即雪崩倍增。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。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。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。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。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的探测机理盖革模式下，SPAD用于探测光子信号时相当于一个双稳态电路。当反向偏压略高于雪崩阈值电压时，PN结的耗尽层产生一个接近临界击穿电场的强电场，器件的内部增益非常大，但是由于没有自由电荷的存在而处于关闭状态。此时，如果有一个光子触发的自由载流子进入该强场中，载流子就会被加速而有足够的能量引起雪崩大电流，将SPAD开启。所以，从输出的电信号波形来看，雪崩电流脉冲的上升沿即代表着光子信号的到来。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。ondphPPSPQEP000exp()exp[()]1exp()dadaNPNNPN（2.1）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器件的设计对于SPAD阵列探测器的设计要求之一是集成度高，即像素单元的面积要小，版图布局要密实。事实上，已经有大量集成度较高的单芯片CMOSSPAD成像阵列被提出并在各三维成像领域中得到了广泛的应用[32]。而目前，业界对于SPAD阵列的研究方向主要集中在两个方面，即基于纳米尺寸CMOS工艺的低暗计数的SPAD的集成问题，以及大规模SPAD阵列的像素单元激增和片上信号处理的问题。SPAD器件的设计多数基于纳米CMOS工艺的SPAD都采用如下图所示的基本结构，即在p+/n阱击穿区外围轻掺杂p阱材料作保护环。0.18μm制程下的该结构SPAD具有大约100Hz~100KHz的暗计数，其中带带隧穿是影