[發(fā)明專利]APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置

在審

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• 申請日: 2013-12-20
• 公開（公告）號: CN103728030A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發(fā)明（設計）人: 張戰(zhàn)盈;徐赤東;紀玉峰;余東升;方蔚愷;張偉麗
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及高速量子探測和靈敏光電探測領域，尤其涉及一種APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置。

背景技術

傳統(tǒng)上，進行單光子探測的主要器件是光電倍增管和雪崩光電二極管(APD)。對于紫外和可見光，光電倍增管具有很好的響應度、極高的時間分辨率和很小的暗電流，非常適合該波段的單光子探測。但是它對波長超過1微米的光的探測效率很低(小于1％)，這使得它在紅外測量領域幾乎沒有實用價值。雪崩光電二極管APD是一種高增益的光電探測器件，可以應用于近紅外波段的探測。

雪崩光電二極管APD是一種P-N結型的光檢測二極管，利用載流子的雪崩倍增效應來放大光電信號以提高檢測靈敏度。當雪崩光電二極管APD加上足夠高的反向偏壓，即工作在反向擊穿電壓附近時，受到光照就會在吸收層產生光生載流子，這些載流子繼而注入倍增層。光生載流子在倍增層從強電場中獲得足夠的能量，能夠碰撞晶格原子使其電離，產生新的電子空穴對。新的電子空穴對在電場作用下加速并再次與晶格原子發(fā)生碰撞產生更多的電子空穴對。這種碰撞電離現(xiàn)象循環(huán)發(fā)生，像雪崩一樣，使光電流在其內進行倍增，形成可被穩(wěn)定探測的正比于光照強度的電流。

雪崩光電二極管APD的內部增益對溫度很敏感，隨著環(huán)境溫度發(fā)生變化，雪崩光電二極管APD的增益會發(fā)生溫度漂移現(xiàn)象，引起測量精度的惡化。當雪崩光電二極管APD溫度升高時，由熱激發(fā)所產生的載流子數(shù)目也將增加，這部分載流子同樣獲得雪崩增益，但這些載流子將消耗很大一部分場強，使得P-N結上的場強降低，從而使雪崩光電二極管APD的增益降低；反之當雪崩光電二極管APD的溫度降低時，其增益將增加。

目前通常使用的雪崩光電二極管APD的響應度一般在1A／W以下。而響應度在1A／W以上的雪崩光電二極管APD，單光子測量使用時溫度漂移現(xiàn)象會更加嚴重，由于這種雪崩光電二極管APD是生物發(fā)光、大氣探測等超高靈敏探測領域所必須的，因此在使用過程中，需要有技術方法保持雪崩光電二極管APD的增益不變。目前的技術方法一種是利用半導體技術制作恒溫裝置，使雪崩光電二極管APD在工作時保持溫度不變，這種方法對系統(tǒng)的回饋電路要求很高，且結構復雜，功耗高，體積龐大，不便安裝使用；另一種是通過單片機采集溫度傳感芯片或者熱電阻的數(shù)值，經過單片機內部程序計算，進而引腳輸出控制信號，控制高壓芯片調整APD直流偏壓，這種方法不僅需要硬件設計，還需要相應軟件處理，電路復雜，實現(xiàn)困難。

發(fā)明內容

本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置，能夠實現(xiàn)近紅外單光子測量，并利用普通二極管前向導通電流不變時，導通壓降隨溫度的上升而近似線性降低的特性，修正溫度變化時雪崩光電二極管APD的直流偏壓，實現(xiàn)溫度的自適應，結合機械機構的設計，保證其單光子探測時增益的穩(wěn)定，溫度適應性好，電路簡單，體積小，便于安裝使用。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是：APD溫度自適應近紅外單光子探測裝置，包括雪崩光電二極管APD、直流偏壓溫度跟隨電路、直流偏壓保護電路、信號放大輸出電路、DC-DC高壓模塊和外殼；

直流偏壓溫度跟隨電路、直流偏壓保護電路與DC-DC高壓模塊輸入端連接；

雪崩光電二極管APD的陰極通過電阻R1與DC-DC高壓模塊輸出端連接；

雪崩光電二極管APD的陽極與信號放大輸出電路連接；

雪崩光電二極管APD的陽極通過負載電阻R2接地；

外殼包括兩端由端蓋封閉的筒形殼體；

直流偏壓溫度跟隨電路、直流偏壓保護電路、信號放大輸出電路、DC-DC高壓模塊均安裝在筒形腔體內；

雪崩光電二極管APD嵌在外殼的端蓋上。

作為優(yōu)選，雪崩光電二極管APD的響應度在1A／W及以上。

作為優(yōu)選，直流偏壓溫度跟隨電路包括恒流源、二極管D1、電壓跟隨電路和電壓放大電路；恒流源輸出分別連接二極管D1陽極和電壓跟隨電路，二極管D1陰極接地；電壓跟隨電路與電壓放大電路連接。

作為優(yōu)選，電壓保護電路包括二極管D2，放大器U3和可調電阻R6；放大器U3的正輸入端接可調電阻R6的可調端，放大器U3的負輸入端和輸出端連接二極管D2陰極，組成電壓跟隨器。