分析差壓變送器對電流的敏感度程度

上海自動化儀表研究了一種稱為單光子雪崩二極管（SPAD）的變送器，該差壓變送器通常用于高度敏感的光子捕獲環(huán)境。其他變送器靈敏度不足以執(zhí)行任務(wù)的地當(dāng)其他差壓變送器無法識別噪聲和信號之間的差異時，SPAD已成為shou選的變送器。SPAD可以檢測到非常低的信號強(qiáng)度（低至單光子水平），并且子到達(dá)皮秒級的程度。

SPAD是固態(tài)半導(dǎo)體器件，與雪崩光電二極管（APD）非常相似。這些差壓變送器利用內(nèi)部光電效應(yīng)（當(dāng)一種材料被光子撞擊時，電子或另一種載流子雪崩電流。這是通過一個pn半導(dǎo)體結(jié)來利用的，該結(jié)在高于擊穿電壓的電壓下被反向偏置。

這是使SPAD與APD區(qū)別開來的關(guān)鍵因素，因為APD通過反向偏置的pn結(jié)工作，但其偏置電壓小于擊穿電壓。在擊穿電壓之上工作的能力使得能夠產(chǎn)生電子和空穴。

像許多類型的變送器一樣，差壓變送器也會對檢測做出響應(yīng)，而這種響應(yīng)通?；诨钚詡鞲胁牧现须妼?dǎo)率的變化。通常，電遷移率越高，器件的靈敏度越顯著。產(chǎn)生更多電荷載流子的能力導(dǎo)致SPAD比其他差壓變送器更靈敏。

由于電壓偏置非常高（大于3 x 10 5 Vcm -1），將單個電荷載流子注入pn結(jié)的耗盡層會引起自持電子雪崩。電子雪崩是通過發(fā)射二次電子而在原子級子撞擊活性物質(zhì)時，這些二次電子被釋放。

高壓偏置產(chǎn)生的內(nèi)部電場使這些二次電子加速并撞擊材料離子晶格中的原子，進(jìn)而導(dǎo)致更多原子釋放電子。這種影響是通過原子級多次撞擊釋放的雪崩撞擊時間不僅記錄在光子撞擊到主動感應(yīng)材料上時，而且雪崩還導(dǎo)致電流從納米級增加到宏觀級，并穩(wěn)定在毫安（mA）范圍內(nèi)。

SPAD中的常規(guī)操作模式會導(dǎo)致大電流，如果不仔細(xì)監(jiān)控，可能會損壞差壓變送器，從而使其失效。通過將偏置電壓降低到至少擊穿電平（如果不低于淬火雪崩，從而減小電流。這意味著SPAD中的電子沒有足夠的能量繼續(xù)與原子碰撞，并且電場強(qiáng)度不足以繼續(xù)加速電子。

淬火可以通過兩種方式進(jìn)行。地衣種是通過使用串聯(lián)電阻器或熱電冷卻器的被動淬火方法。第二個更為復(fù)雜，需要淬火電路。這種方法需要感知和識別沿。

然后必須產(chǎn)生一個輸出脈沖，這與雪崩累積相同。然后將電壓偏置電平淬火到擊穿電平或更低，這會將SPAD恢復(fù)到其原始工作電平。無論采用哪種淬可以將電流減小到安全水平，從而在檢測到SPAD后停止導(dǎo)通。

SPAD的高靈敏度使其適用于其他差壓變送器不夠靈敏的應(yīng)用，因此它們經(jīng)常出現(xiàn)在專業(yè)應(yīng)用中；例如光譜儀器，LiDAR應(yīng)用，DNA分析，顆粒測量儀鏡和單分子檢測。上海自動化儀表隨著技術(shù)的發(fā)展，人們認(rèn)為SPAD也可能在量子密碼學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮作用。