1 引 言
單光子探測是一種檢測極微弱光的方法，在近紅外波段，雪崩光電二極體(APD)是探測極微弱光的主要器件之一。APD是一種能實現光電轉換且具有內部增益的高靈敏度光電探測器，其工作電壓不高，雜訊相對較小，非常適合極微弱光信號(如單個光子信號)的探測。
由於單光子探測是在高技術領域的重要地位，他已經成為各發達國家光電子學重點研究的課題之一。在量子密鑰分發、天文測光、分子生物學、超高解析度光譜學、非線形光學、光時域反射等現代科學技術領域中，都涉及到極微弱光信號的檢測問題。
在量子密鑰分發系統中，量子資訊的載體是單光子，如何將攜帶資訊的單光子探測出來是實現量子密鑰分發的關鍵。APD是實現單光子探測的核心器件。在單光子探測器設計中，為了開發APD的極限靈敏度，APD必須置於反向偏壓(Vb)稍高於雪崩擊穿電壓(Vbr)之上，即所謂的蓋格(Gerger Mode)模式下工作，使APD的雪崩增益M取最佳值MOPT，才能達到較高的探測效率。然而在蓋格模式時，APD的雪崩增益M不僅與環境溫度T還與其直流偏壓Vb的大小密切相關。
2 蓋格模式下APD雪崩特性
4 數控輸出APD直流偏壓源
5 結 語
wiki 資料
雪崩光電二極體
其中L是電子的空間電荷區的長度，而
是電子和空穴的倍增係數，該係數取決於場強、溫度、摻雜濃度等因素。由於APD的增益與反向偏置和溫度的關係很大，因此有必要對反向偏置電壓進行控制，以保持增益的穩定。雪崩光電二極體的靈敏度高於其它半導體光電二極體。
為獲得更高的增益（105–106），某些APD可以工作在反向電壓超出擊穿電壓的區域。此時，必須對APD的信號電流加以限制並迅速將其清為零，為此可採用各種主動或被動的電流清零技術。這種高增益的工作方式稱為Geiger方式，它特別適用於對單個光子的檢測，只要暗計數率足夠低。
APD主要用於雷射測距機和長距離光纖通信，此外也開始被用於正電子斷層攝影和粒子物理等領域 [1]。APD陣列也已被商業化。
APD的用途取決於許多性能指標。主要的幾個性能指標為量子效率（表示APD吸收入射光子併產生原始載流子的效率）和總漏電流（為暗電流、光電流與噪聲之和）。暗電噪聲包括串聯和並聯噪聲，其中串聯噪聲為霰彈噪聲，它大致正比於APD的電容，而並聯噪聲則與APD的體暗電流和表面暗電流的波動有關。此外，還存在用噪聲係數F表示的超額噪聲，它是隨機的APD倍增過程中所固有的統計噪聲。
材料理論上，在倍增區中可採用任何半導體材料：
超額噪聲如前所述，超額噪聲是由倍增過程產生的噪聲，它與倍增過程的增益M有關，記作F(M)，一般可用下式計算：
為空穴與電子的碰撞電離率之比，在電子倍增器件中定義為空穴碰撞電離率除以電子碰撞電離率的比值。一般希望兩個碰撞電離率的差別儘可能大，以減小F(M)，因為F(M)是決定最高能量解析度等性能指標的主要因素之一。
參見
參考文獻
在量子密鑰分發系統中，量子資訊的載體是單光子，如何將攜帶資訊的單光子探測出來是實現量子密鑰分發的關鍵。APD是實現單光子探測的核心器件。在單光子探測器設計中，為了開發APD的極限靈敏度，APD必須置於反向偏壓(Vb)稍高於雪崩擊穿電壓(Vbr)之上，即所謂的蓋格(Gerger Mode)模式下工作，使APD的雪崩增益M取最佳值MOPT，才能達到較高的探測效率。然而在蓋格模式時，APD的雪崩增益M不僅與環境溫度T還與其直流偏壓Vb的大小密切相關。
2 蓋格模式下APD雪崩特性
雪崩光電二極體的雪崩增益M的大小與電子或空穴的有關，其雪崩過程是一個複雜的隨機過程，通常用平均雪崩增益M來表示。M與擊穿電壓Vbr、偏置電壓Vb的關係可用以下經驗公式來描述：
其中n是與溫度有關的特性指數(在2.5～7之間變化，取決於光電材料)。從公式可以看出，APD可以工作在兩種方式下：
一是偏置電壓小於擊穿電壓，然而在這種情況下雪崩增益過小，不足以捕捉到單個光子信
號。
二是偏置電壓稍高於擊穿電壓，理論上雪崩增益為無窮大，一個注入耗盡層載流子就能觸發APD雪崩，產生mA量級的電流，使單光子探測成為可能。
由此可見，APD的雪崩增益M僅與其反向偏壓Vb大小密切相關。因此，為了獲得最佳的雪崩增益MOPT，APD的偏壓控制電路設計顯得尤為重要。
一是偏置電壓小於擊穿電壓，然而在這種情況下雪崩增益過小，不足以捕捉到單個光子信
號。
二是偏置電壓稍高於擊穿電壓，理論上雪崩增益為無窮大，一個注入耗盡層載流子就能觸發APD雪崩，產生mA量級的電流，使單光子探測成為可能。
由此可見，APD的雪崩增益M僅與其反向偏壓Vb大小密切相關。因此，為了獲得最佳的雪崩增益MOPT，APD的偏壓控制電路設計顯得尤為重要。
當APD的反向偏置電壓高於雪崩擊穿電壓時，偏壓的任何微小抖動都能改變APDs結區場強的大小，不但能影響到APD的雪崩增益M還會為探測器帶來了非光子脈衝雜訊，如散粒雜訊、附加雜訊等。
因此，用作單光子探測器的APD偏壓源必須滿足下列條件：
第一，電壓要足夠高，能夠達到APD的雪崩擊穿電壓以上。
第二，能夠提供足夠的電流，滿足APD雪崩時電流迅速增大的要求。
第三，要有足夠小的紋波，儘量減小由於電源電壓抖動帶來的雜訊。這就意味著APD的反向
偏置電壓的電壓穩定性足夠的高。
3 連續可調APD直流偏壓源
因此，用作單光子探測器的APD偏壓源必須滿足下列條件：
第一，電壓要足夠高，能夠達到APD的雪崩擊穿電壓以上。
第二，能夠提供足夠的電流，滿足APD雪崩時電流迅速增大的要求。
第三，要有足夠小的紋波，儘量減小由於電源電壓抖動帶來的雜訊。這就意味著APD的反向
偏置電壓的電壓穩定性足夠的高。
由線性元件構成的線性電源電路中，電壓調整管要工作在放大狀態，發熱量大，效率低，需要加體積龐大的散熱片，此外，同樣也是大體積的工頻變壓器也會帶來工頻干擾，單光子探測器核心器件APD若沒做好足夠的電磁遮罩，也會為探測帶來額外的誤差。在較高直流電壓輸出時，要作到高穩定度和低紋波輸出，在電路設計上較複雜。
MAX5026是MAXIM公司生產的固定頻率、脈衝寬度可調的低雜訊升壓轉換器，是一個專門為APD，LCD，低雜訊變容二極體等提供直流偏置電源的表帖元件。其內部的橫向DMOS開關器件頻率固定為500 kHz，且具有40 V的耐壓極限。工作時使用一個工作於非連續電流模式的電感L，故意減慢開關速度，用來降低高頻電壓毛刺。開關速度的降低還能減小高頻di/dt和dv/dt速率，最大限度地減小了通過電流環、印刷電路板線條和元件管腳問的電容向周圍電路輻射或傳導進來的雜訊，近一步減小可能帶來的雜訊。
圖1所示APD偏壓源電路是由PWM升壓型DC-DC轉換器MAX506和鐵氧體磁心電感線圈L組成，電容G3，G4和二極體D3，D4構成的倍壓電路，使MAX5026輸出電壓可到71 V。在穩態時倍壓電路的工作過程如下：晶片內部DMOS導通，電容C3將電荷轉移給C4，同時電感L被充電；隨著內部DMOS關斷，在電感中建立起的電流使D1和D3正嚮導通，加到電容C5上的總電壓為Vc3和Vc4之和。
使用MAX5026作為APD直流偏壓源有以下特點：
使用MAX5026作為APD直流偏壓源有以下特點：
(1) MAX5026內部較慢FET上升和下降時間降低時間降低了di/dt和dv/dt雜訊耦合；
(2) 非連續電流模式的電感使二極體D1自然換流，本質上消除了二極體的反相恢復帶來
的高頻di/dt雜訊；
的高頻di/dt雜訊；
(3) 固定500 kHz PWM工作頻率產生的可預知雜訊頻譜，更容易濾除，如加LC濾波網
路；÷
(4) 高集成度帶來低成本和小尺寸，該表帖元件面積僅為12 mm2。
路；÷
(4) 高集成度帶來低成本和小尺寸，該表帖元件面積僅為12 mm2。
由於使用的單光子核心器件InGaAs-APD，在室溫時其雪崩擊穿電壓30～60 V不等，雪崩擊穿電流為mA量級，因此該偏置電壓源電路能滿足其要求。
根據MAXIM公司給出MAX5026的資料，電路的輸出電壓可依據下面的關係設定：
其中，Vc是控制輸入電壓基準，其大小從0～2.500 V可調。
實驗發現，當電路的控制輸入電壓為2.500 V即輸出電壓為71 V輸出時，1 mA電流負載時具有100 mVp-p的紋波輸出，若在輸出端並聯一個1μF或更大一點的低等效串聯電阻(ESR)和低等效串聯電感(ESL)電容時，能將雜訊水準降低到20 mV水準，如下圖2所示，其紋波峰峰值不到40 mV。由於MAX5026採用了500 kHz固定開關頻率，如採用LC濾波器或RC濾波器可以將輸出紋波峰值降低到2 mV水準，足以滿足APD雪崩擊穿時電壓的需要。
有時使用的APD是帶溫度補償的元件，元件裏帶有熱敏電阻之類的感溫元件，使用圖3所示直流源電路就非常合適，圖3所示電路是基於單片機控制的、具有輸出數位可調的APD偏置電壓源部分電路。在控制部分單片機讀取APD元件中熱敏電阻的值，從而修正APD的偏置電壓，能實現對APD的溫度補償，此外也可以進一步修正電源電壓波動帶來增益的變化。
在此電路中，MAX6102是2.5 V基準電壓源。通過控制10位DA轉換器MAX5304能將輸出電壓從24.79 V調節到71.32 V，步長為45.4 mV。如當DAC的串列輸入資料為3FFH時，即控制輸入電壓為0 V時，輸出電壓為71.32 V，當串列輸入資料為000H時，輸出電壓為24.79 V，此時控制輸入電壓為2.500 V。如想得到步長更小的電壓輸出，可選用多位數模轉換器來替代MAX5304，如低功耗滿幅輸出12位元串列數模轉換器DAC7512可將步長降低到11 mV左右。
基於低雜訊、固定頻率PWM生壓轉換器MAX5026的APD直流偏壓源具有紋波小、成本低、體積小、設計簡單和穩定性高等一系列優點。實驗結果表明，該偏壓電路能夠滿足單光子探測時APD對直流偏壓源的要求。此外，鑒於這些優點，該偏壓電路在電視調諧、低雜訊變容二極體的偏置、數位視頻解碼器的調諧、電纜調製器、電纜話音通信等電路的電源系統中也得到廣泛應用。
Geiger mode 補充說明:
傳統的雪崩光二極體
Avalanche photodiode(APD)，雪崩光二極體是被廣泛使用於光纖通訊上的光接收器，相較於PIN 光二極體，它有比較高的頻寬和增益，圖2-2 為雪崩光二極體截面圖。APD 的基本結構相較於PIN 來說多了一層參雜量較吸收層高的P 層，此層會藉由外加偏壓造成大電場使載子進行雪崩倍增產生額外新的電子電洞對，此層即為累增層(avalanche region)。
其工作原理為當APD 照光之後在吸收層產生電子電洞對，而被內建電場掃進累增層之中，此時累增層中的大電位差會使載子加速且增加載子具有的能量，當載子能量超過材料的活化能(Kinetic Energy)時，便會藉由碰撞而產生新的電子電洞對，而進行累增離子化效應，如圖2-3 所示(a)為離子化效應的的過程(b)當載子發生碰撞激發電子電洞對，在此效應下，當一個電子進入APD 的累增層後會產生倍數的電子輸出，因此會有增益產生，所以累增層又稱為放大層。
Avalanche photodiode(APD)，雪崩光二極體是被廣泛使用於光纖通訊上的光接收器，相較於PIN 光二極體，它有比較高的頻寬和增益，圖2-2 為雪崩光二極體截面圖。APD 的基本結構相較於PIN 來說多了一層參雜量較吸收層高的P 層，此層會藉由外加偏壓造成大電場使載子進行雪崩倍增產生額外新的電子電洞對，此層即為累增層(avalanche region)。
其工作原理為當APD 照光之後在吸收層產生電子電洞對，而被內建電場掃進累增層之中，此時累增層中的大電位差會使載子加速且增加載子具有的能量，當載子能量超過材料的活化能(Kinetic Energy)時，便會藉由碰撞而產生新的電子電洞對，而進行累增離子化效應，如圖2-3 所示(a)為離子化效應的的過程(b)當載子發生碰撞激發電子電洞對，在此效應下，當一個電子進入APD 的累增層後會產生倍數的電子輸出，因此會有增益產生，所以累增層又稱為放大層。
圖4 為一般傳統APD 操作在DC 時不同偏壓之下的模態，圖中顯示no gain 的區域，是當元件照光之後還沒產生增益，中間linear gain 的區域，是指照光之後所得到的增益與入射光功率成正比，最右邊Geiger mode 這個的模態[9]，也就是稍微大於崩潰電壓的區域，在這個區域只要入射很微弱的光功率就可以得到非常極大的增益，因11此在這個地方，可以來檢測非常微弱的信號，例如應用在Singlephoton 通訊[10]、醫學方面等，由於這些應用都必須將極小的訊號放大，因此APD 操作在Geiger mode 這個區域將可檢測極微弱訊號。
wiki 資料雪崩光電二極體
雪崩光電二極體(APD)(又稱累崩光電二極體或崩潰光二極體)是一種半導體光檢測器，其原理類似於光電倍增管。在加上一個較高的反向偏置電壓後（在矽材料中一般為100-200 V），利用電離碰撞（雪崩擊穿）效應，可在APD中獲得一個大約100的內部電流增益。某些矽APD採用了不同於傳統APD的摻雜等技術，允許加上更高的電壓(>1500 V)而不致擊穿，從而可獲得更大的增益(>1000)。一般來說，反向電壓越高，增益就越大。APD倍增因子M的計算公式很多，一個常用的公式為
是電子和空穴的倍增係數，該係數取決於場強、溫度、摻雜濃度等因素。由於APD的增益與反向偏置和溫度的關係很大，因此有必要對反向偏置電壓進行控制，以保持增益的穩定。雪崩光電二極體的靈敏度高於其它半導體光電二極體。APD的用途取決於許多性能指標。主要的幾個性能指標為量子效率（表示APD吸收入射光子併產生原始載流子的效率）和總漏電流（為暗電流、光電流與噪聲之和）。暗電噪聲包括串聯和並聯噪聲，其中串聯噪聲為霰彈噪聲，它大致正比於APD的電容，而並聯噪聲則與APD的體暗電流和表面暗電流的波動有關。此外，還存在用噪聲係數F表示的超額噪聲，它是隨機的APD倍增過程中所固有的統計噪聲。
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超額噪聲如前所述，超額噪聲是由倍增過程產生的噪聲，它與倍增過程的增益M有關，記作F(M)，一般可用下式計算：
為空穴與電子的碰撞電離率之比，在電子倍增器件中定義為空穴碰撞電離率除以電子碰撞電離率的比值。一般希望兩個碰撞電離率的差別儘可能大，以減小F(M)，因為F(M)是決定最高能量解析度等性能指標的主要因素之一。- Fully ion-implanted p + -n germanium avalanche photodiodes, S. Kagawa, T. Kaneda, T. Mikawa, Y. Banba, Y. Toyama, and O. Mikami, Applied Physics Letters vol. 38, Iss. 6, pp. 429-431 (1981) DOI:10.1063/1.92385
- Breakdown characteristics in InP/InGaAs avalanche photodiode with p-i-n multiplication layer structure, Hyun, Kyung-Sook; Park, Chan-Yong; Journal of Applied Physics, vol. 81, Iss. 2, pp.974-984 (1997) DOI:10.1063/1.364225
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- Zener and avalanche diodes
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- User's Guide Perkin-Elmer Corporation
- Judson Germanium APD
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