红外LED单光子雪崩信号

本文测试了红外LED反向雪崩器件的基本特性，可以看到它作为弱光检测的基本特性。

01、LED反向雪崩信号

一、背景介绍

在昨天搭建了红外反向雪崩信号整形电路， 初步测量了它对光电信号的检测性能。 下面利用单片机MEGA8对脉冲信号进行计数。 测试一下红外反向单光子雪崩器件测量光强的一些基本性能。

二、单片机程序

对于记录雪崩脉冲信号计数MEGA8单片机编程，对其串口输出数据协议进行定义。 命令代码0x1，串口返回100ms之内的脉冲数量。 命令代码0x2，串口返回四个ADC转换数值；这个命令是用于后期辅助模拟量测量。 命令代码0x55，每隔0.5秒连续输出脉冲计数数值。

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三、测量结果

1、反向电压与脉冲

将红外LED置于一个黑色纸盒内， 纸盒内部有黑色的海绵充分吸光。 测量反向电压从39.5V变化到45V对应的脉冲数量。 这反应了脉冲与反向电压之间的关系。

▲ 测量LED在无光情况下反向偏置电压与脉冲个数之间的关系

这里给出了测量结果， 可以看到在41V之前，基本上脉冲数值非常小。 随着电压的增加，反向单光子雪崩脉冲信号继续增加。 由于在黑盒子内实际上无法做到完全每一个光线，所以后面脉冲增加也可以看成LED传感器灵敏度增加的结果。

▲ 图1.3.2 无光下反向偏置电压与脉冲数量之间的关系

2、脉冲数与光线之间关系

在黑色纸盒内固定一个红色LED， 使其与红外LED正对， 测量LED的电流与接收LED反向雪崩脉冲信号数量之间的关系。 测量仍然在无光的黑色盒子内进行， 尽可能避免外部光线对其影响。 LED的电流通过测量串联电阻上的电压获得。

▲ 图1.3.3 测量雪崩脉冲数量与光线之间的关系

在博文 LED的电流与光强之间的关系[1] 中测量了红色LED的光强与通过电流之间的关系， 在一定范围内大体上呈现线性关系。

这是测量结果，可以看出整体上随着LED电流增加，光强增加，雪崩脉冲数量也增加。 在2mA之前，脉冲数量与LED电流之间大体呈现线性关系。 随着后面电流增加， 电流逐步趋向饱和状态。 猜测是强光下，雪崩脉冲之间会相互充电，熄火电流会将部分脉冲掩盖，使得技术数量下降。

▲ 图1.3.4 LED电流与雪崩脉冲之间的关系

▲ 图1.3.5 光强大的时候，脉冲检测器的性能下降

四、光电池发光

光电池是将光转变成电的器件， 如果对其通过电流是否可以发光呢？下面使用上面红外LED测量光电池的发光。

将光电池与红外LED放置在黑盒子里面。 调整红外LED方向，使其正对光电池表面。 将它们密封在褐色纸盒子里面。 稍微增加红外LED偏置电流，增加它的灵敏度。 下面测试光电池导通电流与雪崩脉冲信号之间的关系。

▲ 图A1.4.1 测量光电池发光信号

这是测量结果，可以看到随着光电池电流增加，红外反向雪崩脉冲信号也增加了。 它们之间大体呈现线性关系。 这说明光电池的确发光，而且光线强随着电流增加线性增加。 这说明利用红外LED反向雪崩信号的确可以检测非常微弱的发光。

▲ 图1.4.1 测量光电池发光

※ 总结 ※

本文测试了红外LED反向雪崩器件的基本特性， 可以看到它作为弱光检测的基本特性。

▲ 图2.1 测量SPAD基本特性