[發明專利]單光子雪崩光電二極管的超額偏壓控制系統與方法

有效

• 申請號: 201510088134.8
• 申請日: 2015-02-26
• 公開（公告）號: CN105988497B
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 蔡嘉明;章博璿;郭明清;楊子毅
• 申請（專利權）人: 財團法人工業技術研究院
• 主分類號: G05F1/56
• 分類號: G05F1/56
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所11105
• 代理人: 王珊珊

技術領域

本公開為一種二極管的偏壓控制系統與方法，且特別涉及一種單光子雪崩光電二極管(single photon avalanche photo diode)的超額偏壓控制系統與方法。

背景技術

一般來說，光電檢測器(photo detector)根據其操作形式可進一步區分為一般的光電二極管(photo diode、簡稱PD)、雪崩光電二極管(avalanche photo diode、簡稱APD)、單光子雪崩光電二極管(single photon avalanche photo diode，簡稱SPAD)。

請參照圖1，其所繪示為各種光電檢測器的偏壓操作范圍及其光增益(optical gain)示意圖。一般的光電二極管PD其操作在逆向偏壓(reverse bias)值相對低的區域，因此光增益不高，一個光子最多激發一電子空穴對(electron-hole pair)。

雪崩光電二極管APD操作在線性模式，其工作點電壓，或可稱之為偏壓電壓，靠近崩潰電壓電平-V_bd，且大于崩潰電壓電平-V_bd。亦即，偏壓電壓的絕對值小于崩潰電壓電平-V_bd的絕對值。

單光子雪崩光電二極管SPAD操作在蓋格模式(Geiger mode)，其偏壓電壓小于崩潰電壓電平-V_bd，亦即，偏壓電壓的絕對值大于崩潰電壓電平-V_bd的絕對值。例如偏壓電壓為-(V_bd+V_e)，其中V_e稱為超額偏壓電平(excess bias level)，且V_e為正值。在高電場操作之下，單光子雪崩光電二極管SPAD的光增益非常大，約在10⁶數量級。

請參照圖2，其所繪示為采用電荷泵(charge pump)為供應電壓源的單光子雪崩光電二極管SPAD的負載電流I_load變化與超額偏壓電平V_e之間的關系圖。其中，單光子雪崩光電二極管SPAD與負載(load)串接于供應電壓V_op與接地電壓之間，且溫度保持定值。由圖2可知，當負載電流I_load靜止時，超額偏壓電平V_e最大；當負載電流I_load逐漸增加時，超額偏壓電平V_e會隨著V_op變小而逐漸降低。再者，由于超額偏壓電平V_e會影響到單光子雪崩光電二極管SPAD的靈敏度(sensitivity)，所以當負載電流I_load逐漸增加時，超額偏壓電平V_e會逐漸降低，造成單光子雪崩光電二極管SPAD的靈敏度也會逐漸降低。

請參照圖3，其所繪示為采用電荷泵為供應電壓源的單光子雪崩光電二極管SPAD的溫度T變化與超額偏壓電平V_e之間的關系圖。其中，單光子雪崩光電二極管SPAD與負載串接于供應電壓V_op與接地電壓之間，且負載電流I_load保持定值。由圖3可知，當溫度T逐漸上升時，崩潰電壓電平V_bd會逐漸增加，導致超額偏壓電平V_e會逐漸減少。再者，由于超額偏壓電平V_e會影響到單光子雪崩光電二極管SPAD的靈敏度，所以當溫度T上升時，超額偏壓電平V_e會逐漸降低，造成單光子雪崩光電二極管SPAD的靈敏度也會逐漸降低。

由以上的說明可知，由于崩潰電壓電平V_bd以及供應電壓V_op皆可能隨著操作環境變化，因此如何能夠穩定地控制單光子雪崩光電二極管SPAD的偏壓電壓以及超額偏壓電平V_e為一個重要的技術議題。

請參照圖4，其所繪示為一般單光子雪崩光電二極管SPAD的偏壓調整電路。該偏壓調整電路根據參考二極管26的暗計數(dark count)來調整其他二極管的偏壓，用以保持固定的超額偏壓。