SPAD性能指标测试

时间:2024-06-26 已阅读:400次

介绍SPAD之前,我们先来看看什么是APD?APD,全拼为Avalanche Photon Diode,即雪崩光电二极管,是一种光电探测器件。从器件层面描述,APD本质上是一种工作在反向偏置状态的特殊P-N结,如图1所示。P-N结附近的强电场使得带负电的电子被吸引在N区,带正电的空穴则被吸引在P区,并在 P-N 结交界处形成了耗尽层。在未加反向偏压的状态下,耗尽层中仅有固定在硅(Si)晶格上的正负掺杂离子和 Si 原子,无自由移动的载流子。当在P-N结两端加反向偏压时,随着反向偏压增大,耗尽层中的电场强度和光电流增益就越大。当反向偏压超过 P-N 结反向击穿电压 Vbd时,称APD工作在盖革模式,此时仅需单个光子就可以触发雪崩,所以工作在盖革模式的APD,又称为 SPAD,如图2所示。一般而言,APD 的典型增益是10-100倍,SPAD理论上增益可达到APD的100万倍以上。

SPAD,Single Avalanche Photon Diode,单光子雪崩二极管,顾名思义可以探测单个光子,具有高感光灵敏度、高信噪比和皮秒级动态响应等优点,尤其在弱光信号的探测方面,具有APD不可比拟的优势。因此,被广泛应用于激光雷达,量子通信,目标探测,荧光光谱分析等领域。那么如何定量的去评价一个SPAD器件的好坏?


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图1(左) 工作在反向偏置状态的P-N结

图2(右) APD/SPAD I-V图



SPAD性能指标测试


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图3 SPAD性能指标测试流程




Vbd:SPAD反向击穿电压。

在暗场环境下,用半导体特性分析仪在室温下测试SPAD的I-V特性,确定SPAD器件的实际击穿电压Vbd,并根据I-V曲线找到SPAD预期电流增益对应的偏置电压,将该电压设置为器件的工作电压Vop(Vop = Vbd+Vex)。在SPAD工作温度范围内进行不同温度下的I-V特性测试,标定不同温度下器件的击穿电压Vbd和参考工作电压Vop。


DCR:Dark-Count-Rate,暗计数率,指的是在无光照条件下,SPAD因内部热发射或隧穿产生的电子空穴对触发雪崩,在单位时间内输出的脉冲数。


在暗场环境下,使SPAD工作在Vop电压下,用示波器捕捉SPAD阴极输出脉冲波形,检测器件的暗计数。根据示波器检测到的一定时间范围内的暗计数计算单位时间内的暗计数,即为暗计数率DCR。



计算公式如下:


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Nsum-dark : 无光输入时,检测的总的脉冲个数

Nafterpulse : 后脉冲个数


PDE:Photon-Detection-Efficiency,光子探测效率,SPAD输出的有效脉冲数(触发光子数)与入射光子的比值。


在均匀光或脉冲光条件下,使SPAD工作在Vop电压下,测试SPAD上接收的光功率;SPAD上接收到的光功率除以单个光子的能量即为单位时间内SPAD上接收到的光子数量;根据示波器检测到的一定时间范围内的脉冲计数减去暗计数减去后脉冲数,可以计算出单位时间内光子触发数;用单位时间内光子触发数除以单位时间内SPAD上接收到的光子数即为光子探测效率PDE。


计算公式如下:


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Nafterpulse : 后脉冲个数

Nin:测试时间内平均进入SPAD 器件的光子数


t : 测试时间

I:光功率密度

SSPAD:SPAD感光面积

λ/hc : 单个光子能量


Dead-time:死区时间,SPAD不能进行光子探测的时间。

在均匀光或脉冲光条件下,使SPAD工作在Vop电压下,用示波器捕捉SPAD阴极输出脉冲波形,测量器件的死区时间。淬灭时间与复位时间之和即为死区时间,Tdead= Tquench+ Treset,如图4所示。



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图4  SPAD阴极输出脉冲波形死区时间示意图




AfterPulse:后脉冲,SPAD雪崩淬灭后恢复下一次可探测状态前,陷阱能级中的电子被释放触发二次雪崩,如图5所示。



在均匀光或脉冲光条件下,使SPAD工作在Vop电压下,用示波器捕捉SPAD阴极输出脉冲波形,检测器件的后脉冲数;根据示波器检测到的多次后脉冲个数计算平均后脉冲数。


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图5 后脉冲示意图


Jitter:时间抖动,光子从发射至SPAD输出光触发脉冲波形的时间分布的标准差,如图6所示。



在脉冲光条件下,使SPAD工作在Vop电压下,用示波器捕捉SPAD阴极输出脉冲波形,测量SPAD阴极输出脉冲的抖动宽度。


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图6  Jitter示意图