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摘 要

随着单光子探测器的不断应用与发展，对单光子探测器性能的要求越来越高，其中工作在盖革模式下的雪崩光电二极管(avalanche photodiode, APD)具有较高的光电流感应灵敏度，可实现单光子探测，因此在微弱光信号传感检测领域得到了极为广泛的应用。高电流增益检测APD需要工作在较高的反偏电压条件下，但过高的反偏电压会引起暗计数的急剧增大，暗计数作为一种噪声误计数会严重降低APD的探测精度，因此合理设置APD反偏工作电压极为关键。

为此，本文对APD不同反向击穿电压下的暗计数等参数进行测试，总结暗计数随反偏电压的变化关系。测试中除采用常规的测试方法外，还采用了时间相关单光子计数(TCSPC)技术对APD的暗计数进行测试，对不同测试方法获得的暗计数数据做对比分析。由于APD触发的雪崩电流具有自持特性，长时间处于大电流过流状态下极易导致探测器可靠性的下降与感应性能的漂移，为此必须对感应触发的雪崩电流快速淬灭。通常可采用两种淬灭方式，即被动淬灭与主动淬灭。当采用窄门控偏置APD时，门控下降沿同时具备强制淬灭探测器的功能。但窄门控时钟耦合偏置会在感应电阻上引入尖峰噪声，该噪声幅度较大且位置与可能感应得到雪崩电压信号相交叠，从而对有效信号的检测产生干扰。因此需对此门控尖峰噪声进行分析与建模，并与测试结果进行对比分析。

根据测试结果，对选取的APD模型给定关键参数取值范围，使模型能够更好的体现出APD的传感特性并用于电路仿真，为APD接口电路设计理论基础和验证手段。

关键词：雪崩光电二极管；暗计数；门控尖峰噪声；电流淬灭；时间相关单光子计数技术

Abstract

With the continuous application and development of single photon detectors, the performance of single photon detectors is getting higher and higher. The avalanche photodiode (APD) working in Geiger mode has high photocurrent sensing sensitivity. Single photon detection can be realized, so it has been widely used in the field of weak optical signal sensing. High current gain detection APD needs to work under high reverse bias voltage conditions, but too high reverse bias voltage will cause sharp increase of dark count. Dark count as a kind of noise false count will seriously reduce APD detection accuracy, so It is extremely important to set the APD reverse bias working voltage reasonably.

To this end, this paper tests the dark count and other parameters of APD under different reverse breakdown voltages, and summarizes the relationship between dark count and reverse bias voltage. In addition to the conventional test method, the time-dependent single photon counting (TCSPC) technique was used to test the dark count of APD, and the dark count data obtained by different test methods were compared and analyzed. Since the avalanche current triggered by APD has self-sustaining characteristics, it is easy to cause the reliability of the detector to drop and the drift of the sensing performance when it is in a large current overcurrent state for a long time. Therefore, the induced avalanche current must be rapidly quenched. Two methods of quenching are generally employed, namely passive quenching and active quenching. When a narrow gated biased APD is used, the gated falling edge also has the function of forcibly quenching the detector. However, the narrow gated clock coupling bias introduces spike noise on the sense resistor, which is large in amplitude and overlaps with the avalanche voltage signal that may be induced to interfere with the detection of the effective signal. Therefore, this gated spike noise needs to be analyzed and modeled, and compared with the test results.

According to the test results, the selected APD model is given a range of key parameters, so that the model can better reflect the sensing characteristics of APD and be used for circuit simulation. It is the theoretical basis and verification method for APD interface circuit design.

KEY WORDS: Avalanche photodiode; Dark count; Gated spike noise; Current quenching; Time-correlated single photon counting technique

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容与工作要求 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 工作要求 4

1.4 论文组织结构 4

第二章 APD传感检测基础 5

2.1 工作原理 5

2.2 门控偏置 7

2.3 TCSPC原理与应用 10

2.3.1 光子计数原理 11

2.3.2 TCSPC应用 11

2.4 本章小结 13

第三章 APD模型及应用 14

3.1 APD模型原型结构 14

3.2 APD模型实现方法 14

3.3 APD模型应用 15

3.4 本章小结 19

第四章 APD特性参数测试分析 20

4.1 反偏电压调节与测试 20

4.2 门控信号控制与测试 21

4.3 尖峰噪声测试与分析 22

4.3.1 测试原理 22

4.3.2 测试数据与分析 22

4.4 APD暗计数测试 25

4.4.1 示波器直观测量 25

4.4.2 基于TCSPC的统计测量 27

4.4.3 暗计数特性分析 29

4.5 APD模型参数设置 30

4.6 本章小结 30

第五章 总结与展望 31

5.1 论文总结 31

5.2 研究展望 32

参考文献 33

致 谢 34

第一章 绪论

随着日盲紫外单光子探测技术的发展以及超灵敏检测需求的扩展，雪崩倍增二极管APD探测器得到日益应用与迅猛发展。不同的应用背景中，对APD探测器的性能要求也不尽相同。APD探测器的性能主要由它的物理结构以及工作条件决定，将APD探测器设置在最佳性能条件十分关键，因此可通过对不同条件下APD探测器的性能进行测试与分析，才能获得合理工作条件范围。本文主要针对SiC APD进行测试与分析，确定APD探测器的最佳工作条件，为后续接口电路的设计提供支撑。

1.1 研究背景及意义

光的本质一直以来都是科学家们研究的热点内容，从早期的粒子理论一直到爱因斯坦的量子理论，光的理论研究一直占据着重要地位^[1]。单光子是光信号的最小能量或粒子单位，能够对单光子响应的器件称为单光子探测器。

在微光探测成像技术领域中，现代的“微光”不再局限于传统的夜视领域，而扩展到了所有光子数受限的领域，如现代超高分辨率遥感成像、高速成像或者超远距离激光成像等应用中。在面向高效单光子探测与成像领域的一系列关键科学问题探索中，基于APD的单光子探测技术由于具有高灵敏度、高信噪比和时间稳定性好等独有特点，近年来得到了迅速发展。

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