紅外LED反向雪崩擊穿

一、背景介紹

在博文 利用LED來作為單光子雪崩檢測器[2] 中介紹了 ?油管上Robotix的LED單光子現(xiàn)象[3] 。?對于LED反向SPAD效應(yīng)之前沒有注意過，?下面通過實驗來觀察手邊 一些LED反向擊穿過程是否會出現(xiàn)單光子脈沖現(xiàn)象。

▲ 圖1.1.1 普通LED不能夠作為SPAD


二、LED反向擊穿

1、紅色LED

首先對于手邊一個大型紅色LED測試其反向擊穿電壓的情況。?這里給出了測試方法以及電路圖。?可調(diào)數(shù)字直流電源U0輸出電壓，?給二極管D1 施加反向電壓。?電壓大小通過數(shù)字萬用表測量U1電壓，?減去R2上的電壓U2便可以獲得。同時U2除以R2可以獲得D1的反向偏置電流。?R1在這里起到一個輔助限流的作用。

▲ 圖1.2.1 測量電路圖

下面通過Python編程，?控制U0電壓從0V，變化到40V，?測量U1，U2，并計算LED反向電壓與反向電流。?繪制出反向電壓與反向擊穿電流之間的關(guān)系。?根據(jù)測量結(jié)果，?可以看出LED的反向擊穿電壓，?大約是37V。

▲ 圖1.2.2 測量LED反向擊電壓與電流曲線

通過示波器觀察U2信號，?可以看到LED反向電流并沒有單光子雪崩脈沖電流。?這說明該LED不適合做SPAD。

2、其它顏色LED

測量一個綠色LED的反向擊穿電壓。?對應(yīng)的擊穿電壓大約為16V左右。

測試黃色LED，?對應(yīng)的反向擊穿電壓大約為36V左右。?以上兩個LED都沒有觀察到單光子雪崩電流脈沖信號。

這是一個紅色LED，它的反向擊穿電壓非常高。?已經(jīng)超過了數(shù)字可控電源輸出電壓的最大范圍。

▲ 圖1.2.3 測試不同顏色的反向擊穿電壓

三、紅外LED

下面在測試幾個小型的LED反向擊穿的情況。?經(jīng)過測試，最終找到兩個紅外LED，?他們在反向電壓偏置下，可以形成雪崩脈沖輸出。

▲ 圖1.3.1 一種紅外LED可以現(xiàn)成反向雪崩電流脈沖信號

這里給出了在反向電壓超過50V時，R2上的雪崩電流脈沖信號。?使用手掩蓋LED，可以看到脈沖信號明顯變少。?改變反向電壓的大小，可以改變擊穿脈沖的頻率。當(dāng)超過一定電壓數(shù)值之后，LED便會持續(xù)反向擊穿。

▲ 圖1.3.2 形成的反向擊穿雪崩脈電流脈沖

※ 總??結(jié) ※

本文對于手邊幾款LED進行測試，通過施加反向電壓，觀察擊穿電流是否會出現(xiàn)單光子雪崩脈沖信號。?經(jīng)過篩選，發(fā)現(xiàn)其中兩款紅外LED可以產(chǎn)生反向擊穿脈沖信號，并隨著光線強弱以及電壓大小發(fā)生變化。?這為之后進行相應(yīng)的實驗打下基礎(chǔ)。

▲ 圖2.1 可以產(chǎn)生單光子雪崩電流的LED

參考資料

[1]

Using LED as a Single Photon Detector: https://physicsopenlab.org/2020/02/27/using-led-as-a-single-photon-detector/

[2]

利用LED來作為單光子雪崩檢測器: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/128432827

[3]

油管上Robotix的LED單光子現(xiàn)象: https://www.youtube.com/watch?v=4APk7kF1AiQ