紅外LED反向雪崩擊穿

一、背景介紹

在博文 利用LED來(lái)作為單光子雪崩檢測(cè)器[2] 中介紹了 ?油管上Robotix的LED單光子現(xiàn)象[3] 。?對(duì)于LED反向SPAD效應(yīng)之前沒(méi)有注意過(guò)，?下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察手邊 一些LED反向擊穿過(guò)程是否會(huì)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(duì)于手邊一個(gè)大型紅色LED測(cè)試其反向擊穿電壓的情況。?這里給出了測(cè)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(guò)數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量U1電壓，?減去R2上的電壓U2便可以獲得。同時(shí)U2除以R2可以獲得D1的反向偏置電流。?R1在這里起到一個(gè)輔助限流的作用。

▲ 圖1.2.1 測(cè)量電路圖

下面通過(guò)Python編程，?控制U0電壓從0V，變化到40V，?測(cè)量U1，U2，并計(jì)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(cè)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(cè)量LED反向擊電壓與電流曲線

通過(guò)示波器觀察U2信號(hào)，?可以看到LED反向電流并沒(méi)有單光子雪崩脈沖電流。?這說(shuō)明該LED不適合做SPAD。

2、其它顏色LED

測(cè)量一個(gè)綠色LED的反向擊穿電壓。?對(duì)應(yīng)的擊穿電壓大約為16V左右。

測(cè)試黃色LED，?對(duì)應(yīng)的反向擊穿電壓大約為36V左右。?以上兩個(gè)LED都沒(méi)有觀察到單光子雪崩電流脈沖信號(hào)。

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

▲ 圖1.2.3 測(cè)試不同顏色的反向擊穿電壓

三、紅外LED

下面在測(cè)試幾個(gè)小型的LED反向擊穿的情況。?經(jīng)過(guò)測(cè)試，最終找到兩個(gè)紅外LED，?他們?cè)诜聪螂妷浩孟?，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(hào)

這里給出了在反向電壓超過(guò)50V時(shí)，R2上的雪崩電流脈沖信號(hào)。?使用手掩蓋LED，可以看到脈沖信號(hào)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(guò)一定電壓數(shù)值之后，LED便會(huì)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(duì)于手邊幾款LED進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)施加反向電壓，觀察擊穿電流是否會(huì)出現(xiàn)單光子雪崩脈沖信號(hào)。?經(jīng)過(guò)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(hào)，并隨著光線強(qiáng)弱以及電壓大小發(fā)生變化。?這為之后進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(lái)作為單光子雪崩檢測(cè)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