在８００．９００ｎｍ波段，硅雪崩光电二极管凭借其优越性能、高可靠性以及廉价获得了广泛的应用。

根据硅在８００—９００ｎｍ波段的光吸收系数值，为获得高的量子效率，ＡＰＤ需要具有３０—５０ｎｍ长的耗尽区。

在单边突变的ｐ－ｎ结中，为得到长的耗尽区并降低ＡＰＤ的工作电压，硅ＡＰＤ采用了一种有ｎ＋．Ｐ．舻ｐ＋构成的拉通型结构，如图２．２所示。

图２－２拉通型ＡＰＤ内部结构及电场分布
其中７ｃ层为受主杂志，掺杂浓度很低，接近Ｐ型本征层。

图中右方表示了电场强度的分布示意图。

近年来，随着半导体工艺技术的发展，人们开展了硅单光子探测器的集成化和阵列化的研究。

由于拉通型结构耗尽层厚，所需功率大且需热电冷却，不易集成化。

因此一种新的薄型结构被开发，如图２．３所示。

该结构所需偏置电压仅为１５．４０Ｖ，同时因为耗散功率小，不需冷却。

虽然利用薄型ＡＰＤ制成的硅单光子探测器的探测效率在８３０ｎｍ时只有１０％。

但由于集成化和阵列化可以发挥更大、更广的作用，因此还是有越来越多的人投入到薄型硅ＡＰＤ的研究当中。

图２－３薄型ＡＰＤ内部结构
２．３．２锗（Ｇｅ）ＡＰＤｌｌ２Ｉ
对锗ＡＰＤ单光子探测器的研究很早就开展了。

实验表明，当温度高于１００Ｋ时，只要锗ＡＰＤ的偏置电压大于其雪崩电压就会产生雪崩效应，这是由于锗ＡＰＤ的热激发非常严重。

在实际应用中，必须将其冷却至１００Ｋ以下。

通常使用液氮将
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第三章正弦门控单光子探测器设计
３．１正弦门控工作模式１１４ｉ
在单光子探测中，由于ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰＡＰＤ探测的是极其微弱的单光子信号，要想使光生载流子转换为可测量的宏观电流，需要非常大的倍增增益。

ＩｎＧａＡｓＡＰＤ工作在盖革模式下，即偏置电压略高于雪崩击穿电压，此时，ＡＰＤ会发生自持雪崩增益，理论上增益为无穷大。

当雪崩发生后，所产生的电流非常大，此时需要及时抑制雪崩，否则雪崩次数增多会损坏ＡＰＤ。

另外，在雪崩效应的发生过程中，ＡＰＤ无法对后续入射的光子再次做出响应，为使ＡＰＤ能够准确探测到下一个单光子，要求必须能够及时快速抑制雪崩电流。

目前常用的抑制雪崩方法大致分为三类：无源抑制、有源抑制和门控模式【１５１１１６１。

对比这三种方法：无源抑制电路结构简单，但是单光子计数率不高，因为雪崩二极管的淬灭时问主要由电阻电容值决定，为使ＡＰＤ及时淬灭，ＲＥ阻值设置很大，从而使淬灭时间足够长，这也导致单光子探测系统的时间分辨率不高，本文单光子探测器的工作频率为２００ＭＨｚ，无源抑制方法难以胜任；有源抑制方法与无源抑制不同，可以自行控制抑制雪崩的时间，提高单光子探测系统的时间分辨率，但是在这种情况下，ＡＰＤ两端始终加有高于雪崩电压的直流偏置电压，这样长时间工作会使ＡＰＤ的寿命大幅缩短，同时降低了单光子探测器的稳定度；对比无源抑制和有源抑制方法，门控工作模式能够确保有光子到来的时候，门打开，ＡＰＤ两端的直流偏置电压高于雪崩电压发生雪崩效应，没有光子到达的时候，门关闭，同时ＡＰＤ两端的偏置电压降低到雪崩电压以下，这样不仅能够提高ＡＰＤ探测单光子的综合性能也能够大大减少暗计数的发生。

目前，基于ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰＡＰＤ的单光子探测主要应用于量子信息和通信技术中，在这些应用中，单光子到达ＡＰＤ的时间是可以精确计算的，所以门控工作模式适合进行ＡＰＤ单光子探测。

ＡＰＤ工作在门控模式下，由于ＡＰＤ存在电容值很小的结电容Ｃ，门脉冲通过ＡＰＤ后因为结电容的微分效应产生幅值较大的尖峰噪声（ｓｐｉｋｅｎｏｉｓｅ），这样容易使需要测量的单光子信号被尖峰噪声所淹没而难以读取。

如何有效提取雪崩信号
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４．２相关设计流程
ＰＣＢ的大致设计流程包括几个步骤：设计准备，ＰＣＢ板面设计，ＰＣＢ布局，布线，布线改进，设计规则检查Ｃ检查和结构检查，制版。

（１）前期准备。

包括元件库和原理图。

在进行ＰＣＢ设计前，需准备好原理图元件库和ＰＣＢ元件库。

Ｐｒｏｔｅｌ自带通用元件库，库中没有的元件可以手动绘制并添加。

在设计过程中大部分ＰＣＢ元件封装都可以封装库直接调用，其他芯片等元件封装可通过绘制得到。

（２）结构设计。

首先明确所需电路板的大小以及所需要的定位孔位置和口径，然后绘制ＰＣＢ的版面，同时确定按钮、定位螺丝、接入接出口以及装配孔等最后划分后续需要布线的地方和明确不能走线的位置。

（３）布局。

在原理图上生成网络表（Ｄｅｓｉｇｎ．＞ＣｒｅａｔＮｅｔｌｉｓｔ），在ＰＣＢ图上导入网络表（Ｄｅｓｉｇｎ－＞ＬｏａｄＮｅｔｓ），然后根据飞线和原理图对器件进行布局。

在放置元器件时，需考虑元器件的实际大小，如面积、高度和元器件之间的放置关系，以保证电气性能和安装的可行性。

（４）布线。

ＰＣＢ设计流程中最重要的就是布线，因为布线的好坏直接决定了ＰＣＢ板的性能。

布线时要注意遵循ＰＣＢ的设计要求，使电路达到良好的电气特性，如不同信号层之间的信号线尽量垂直走线等。

（５）设计规则检查。

首先应该保证所绘制的电路原理图正确，然后对比由电路原理图生成的网络文件与电路原理图，检查网络文件中的连接关系式否正确并且没有遗漏，若有错误，应该及时改正并再次确认检查，只有这样才能确保后面连线工作的顺利进行；检查完网络文件之后，应该对设计的ＰＣＢ板进行设计规则检查，如有错误应及时对照设计进行修改，这样ＰＣＢ板的电气性能才能保证正确无误。

４．３调试与分析
４．３．１单光子探测器测试方案
单光子探测器测试方案需用到高速单光子源作为发射端，由于条件有限，本。