本文研究了一種稱為單光子雪崩二極管（SPAD）的變送器，該差壓變送器通常用于高度敏感的光子捕獲環(huán)境。其他變送器靈敏度不足以執(zhí)行任務(wù)的地方。
當(dāng)其他差壓變送器無(wú)法識(shí)別噪聲和信號(hào)之間的差異時(shí)，SPAD已成為shou選的變送器。SPAD可以檢測(cè)到非常低的信號(hào)強(qiáng)度（低至單光子水平），并且可以確定單光子到達(dá)皮秒級(jí)的程度。
SPAD是固態(tài)半導(dǎo)體器件，與雪崩光電二極管（APD）非常相似。這些差壓變送器利用內(nèi)部光電效應(yīng)（當(dāng)一種材料被光子撞擊時(shí)，電子或另一種載流子的發(fā)射）產(chǎn)生雪崩電流。這是通過(guò)一個(gè)pn半導(dǎo)體結(jié)來(lái)利用的，該結(jié)在高于擊穿電壓的電壓下被反向偏置。
這是使SPAD與APD區(qū)別開來(lái)的關(guān)鍵因素，因?yàn)锳PD通過(guò)反向偏置的pn結(jié)工作，但其偏置電壓小于擊穿電壓。在擊穿電壓之上工作的能力使得能夠產(chǎn)生更高濃度的電子和空穴。
像許多類型的變送器一樣，差壓變送器也會(huì)對(duì)檢測(cè)做出響應(yīng)，而這種響應(yīng)通常基于活性傳感材料中電導(dǎo)率的變化。通常，電導(dǎo)率或載流子遷移率越高，器件的靈敏度越顯著。產(chǎn)生更多電荷載流子的能力導(dǎo)致SPAD比其他差壓變送器更靈敏。
由于電壓偏置非常高（大于3 x 10 5 Vcm -1），將單個(gè)電荷載流子注入pn結(jié)的耗盡層會(huì)引起自持電子雪崩。電子雪崩是通過(guò)發(fā)射二次電子而在原子級(jí)產(chǎn)生的。當(dāng)光子撞擊活性物質(zhì)時(shí)，這些二次電子被釋放。
高壓偏置產(chǎn)生的內(nèi)部電場(chǎng)使這些二次電子加速并撞擊材料離子晶格中的原子，進(jìn)而導(dǎo)致更多原子釋放電子。這種影響是通過(guò)原子級(jí)多次撞擊釋放的雪崩電子。
撞擊時(shí)間不僅記錄在光子撞擊到主動(dòng)感應(yīng)材料上時(shí)，而且雪崩還導(dǎo)致電流從納米級(jí)增加到宏觀級(jí)，并穩(wěn)定在毫安（mA）范圍內(nèi)。
SPAD中的常規(guī)操作模式會(huì)導(dǎo)致大電流，如果不仔細(xì)監(jiān)控，可能會(huì)損壞差壓變送器，從而使其失效。通過(guò)將偏置電壓降低到至少擊穿電平（如果不低于擊穿電平）來(lái)淬火雪崩，從而減小電流。這意味著SPAD中的電子沒有足夠的能量繼續(xù)與原子碰撞，并且電場(chǎng)強(qiáng)度不足以繼續(xù)加速電子。
淬火可以通過(guò)兩種方式進(jìn)行。地衣種是通過(guò)使用串聯(lián)電阻器或熱電冷卻器的被動(dòng)淬火方法。第二個(gè)更為復(fù)雜，需要淬火電路。這種方法需要感知和識(shí)別雪崩的前沿。
然后必須產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖，這與雪崩累積相同。然后將電壓偏置電平淬火到擊穿電平或更低，這會(huì)將SPAD恢復(fù)到其原始工作電平。無(wú)論采用哪種淬滅機(jī)制，它都可以將電流減小到安全水平，從而在檢測(cè)到SPAD后停止導(dǎo)通。
SPAD的高靈敏度使其適用于其他差壓變送器不夠靈敏的應(yīng)用，因此它們經(jīng)常出現(xiàn)在專業(yè)應(yīng)用中；例如光譜儀器，LiDAR應(yīng)用，DNA分析，顆粒測(cè)量?jī)x器，熒光顯微鏡和單分子檢測(cè)。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們認(rèn)為SPAD也可能在量子密碼學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮作用。
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