红外LED反向雪崩击穿

一、背景介绍

在博文 利用LED来作为单光子雪崩检测器[2] 中介绍了  油管上Robotix的LED单光子现象[3] 。 对于LED反向SPAD效应之前没有注意过， 下面通过实验来观察手边 一些LED反向击穿过程是否会出现单光子脉冲现象。

▲ 图1.1.1 普通LED不能够作为SPAD


二、LED反向击穿

1、红色LED

首先对于手边一个大型红色LED测试其反向击穿电压的情况。 这里给出了测试方法以及电路图。 可调数字直流电源U0输出电压， 给二极管D1 施加反向电压。 电压大小通过数字万用表测量U1电压， 减去R2上的电压U2便可以获得。同时U2除以R2可以获得D1的反向偏置电流。 R1在这里起到一个辅助限流的作用。

▲ 图1.2.1 测量电路图

下面通过Python编程， 控制U0电压从0V，变化到40V， 测量U1，U2，并计算LED反向电压与反向电流。 绘制出反向电压与反向击穿电流之间的关系。 根据测量结果， 可以看出LED的反向击穿电压， 大约是37V。

▲ 图1.2.2 测量LED反向击电压与电流曲线

通过示波器观察U2信号， 可以看到LED反向电流并没有单光子雪崩脉冲电流。 这说明该LED不适合做SPAD。

2、其它颜色LED

测量一个绿色LED的反向击穿电压。 对应的击穿电压大约为16V左右。

测试黄色LED， 对应的反向击穿电压大约为36V左右。 以上两个LED都没有观察到单光子雪崩电流脉冲信号。

这是一个红色LED，它的反向击穿电压非常高。 已经超过了数字可控电源输出电压的最大范围。

▲ 图1.2.3 测试不同颜色的反向击穿电压

三、红外LED

下面在测试几个小型的LED反向击穿的情况。 经过测试，最终找到两个红外LED， 他们在反向电压偏置下，可以形成雪崩脉冲输出。

▲ 图1.3.1 一种红外LED可以现成反向雪崩电流脉冲信号

这里给出了在反向电压超过50V时，R2上的雪崩电流脉冲信号。 使用手掩盖LED，可以看到脉冲信号明显变少。 改变反向电压的大小，可以改变击穿脉冲的频率。当超过一定电压数值之后，LED便会持续反向击穿。

▲ 图1.3.2 形成的反向击穿雪崩脉电流脉冲

※ 总  结 ※

本文对于手边几款LED进行测试，通过施加反向电压，观察击穿电流是否会出现单光子雪崩脉冲信号。 经过筛选，发现其中两款红外LED可以产生反向击穿脉冲信号，并随着光线强弱以及电压大小发生变化。 这为之后进行相应的实验打下基础。

▲ 图2.1 可以产生单光子雪崩电流的LED

参考资料

[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来作为单光子雪崩检测器: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/128432827

[3]

油管上Robotix的LED单光子现象: https://www.youtube.com/watch?v=4APk7kF1AiQ