1997
01、单光子雪崩LED
一、SPAD LED
单光子雪崩检测二极管，简称SPAD，是工作在反向击穿模式下的二极管，用来检测单个光量子。有趣的是，本来是用来发光的LED实际上可以用作SPAD。
▲ 图1.1.1 线性放大与盖哥模式
并不是所有的LED都可以用作 SPAD，下面测试了这些常见到的各种颜色的LED，它们都无法用作单光子雪崩检测二极管。在一些网络资料给出，OPTOELECTRONICS 公司出品的 型号AND114，113 可以用作单光子雪崩检测二极管。
▲ 图1.1.2 普通的LED以及AND114LED
二、测试SPAD
下面对于LED用作SPAD的功能进行初步测试。下面这是测试电路。在面包板上将待测试的LED与两个电阻串联在一起。上面的限流电阻R1为1k欧姆，下面用于将反向雪崩电流转换成电压的电阻R2为100k欧姆。
▲ 图1.2.1 SPAD二极管测试电路
缓慢增加反向偏置电压。调节的范围是从10V到20V之间。在调节过程，需要缓慢增加方向电压，以避免反向击穿电压的突然增加，使得待测LED功耗过大，使其烧坏。
动图显示了当电压实际超过了22V之后，LED的单光子雪崩电流信号就会产生了。在电压达到24V左右的时候，反向电流脉冲就变得非常猛烈了。脉冲几乎连接在了一起。
▲ 图1.2.2 反向雪崩电流
检测到的每一个脉冲是进入LED中的单个光子引起内部的雪崩电流信号。不过由此可以看到，LED检测到光子的效率是很低的。实际产生的光脉冲只是进入光子的非常小的比例。
三、脉冲转换
为了使用单片机对于输出脉冲进行测量，下面使用比较器将LED雪崩脉冲进行整形，使其形成单片机可以读取的方波脉冲。实验电路如下图所示。
由于视频中的实验者没有给出具体的电路，图中的电路图是根据左边实际电路板上电路绘制的。其中有些器件的型号不全。
▲ 图1.3.1 脉冲转换电路
在R2上形成的单光子脉冲经过比较器U2转换成成输出方波。为了形成比较窄的输出脉冲，比较器的输出控制MOS管T1的导通，使其对并联在R2上，能够对LED尽快放电，使其重新恢复到反向偏压状态，这样可以对下一个光子进行检测，这个过程也称雪崩传感器熄火电路。
动图显示了电路中LED反向偏置电压逐步升高超过20V之后，输出脉冲经过整形之后对应的方波信号。这个信号可以被用于后面单片机计数器进行统计。
▲ 图1.3.2 信号转换后的方波输出信号
下图是通过比较器的输入电压信号（R2上的电压信号）与输出信号波形。可以看到在反馈MOS管T1的作用， R2电阻上的波形被斩波成一个40微秒左右脉冲宽度，比较器的输出方波的脉冲宽度也是40微妙左右。
▲ 图1.3.3 比较器的输入与输出波形
四、脉冲计数
使用单片机的中断对于比较器输出方波脉冲进行计数。统计每5毫秒之内的脉冲输出。在室内光线下，LED在没有遮挡情况下，单片机输出计数脉冲数量大约是40左右。
当用手遮挡LED，可以看到示波器上的脉冲减少了。对应的单片机技术输出也大约减少到 10 ~ 20个左右。
▲ 图1.4.1 使用手对LED遮挡，可以改变计数数量
反过来，如果使用一个非常亮的室外工程照明LED灯，对测试LED进行照射，可以看到它输出的脉冲波形几乎是连成成了一片了。单片机输出的计数也增加到70 ~ 80左右。
▲ 图1.4.2 利用强光照射LED，可以看到输出脉冲变多了
如果根据上图所显示的波形来看，应该是视频作者所使用的熄火电路连接有错误。在强光下，LED反向电流几乎连成了一条直线，T1似乎没有完成熄火。
如果将T1的漏极接到LED上面，应该是对二极管偏压进行释放，使得二极管尽快从击穿状态恢复到截止状态。很可惜手头没有AND114型号的LED，所以对于修改后的电路进行验证了。
▲ 图1.4.3 熄火电路修改
※ 结 论 ※
本文给出了网络视频实验中中利用AND114 发光二极管工作在反压下形成单光子雪崩检测二极管。整体上可以看到这种二极管对于光线的强弱是能够检测的。单光子检测可以对非常微弱的光线进行检测，如果将多个SPAD组合成矩阵也可以对弱光图像进行检测。
参考资料
[1]、Single-photon detectors - Krister Shalm: https://www.youtube.com/watch?v=Vt84rSJa7VI
