第一章介紹過單光子偵測器可選用的各種偵測元件與相對應用，接下來要介 紹我們所使用的單光子偵測元件Avalanche photodiode(光崩潰二極體 , APD) 。 首先介紹傳統光電二極體的應用特性與結構，再介紹應用在單光子偵測器的特別 操作特性，最終就Geiger-Mode APD 與傳統 APD 的光偵測特性做一個比較。
2.1 APD 基本光電特性
Avalanche photodiode(APD)，光崩潰二極體是被廣泛使用於光通訊上的光接 收器，相較於 PIN 光二極體，它能偵測更小的光量變化。圖(2-1)為矽光崩潰二 極體剖面圖，APD 的基本結構相較於 PIN 來說多了一層參雜量較吸收層高的 p 層，且因為與 n 層接觸的關傒，此層在高電場下會被空乏並同時承受很大的電 場，此層即為APD 特有的累增層(avalanche region)，當光進入 APD 且被吸收層 吸收產生光載子，即被內建的電場掃進累增層之中，而累增層中的大電位差會對 載子加速且增加載子所具有的能量，當載子能量超過材料的活化能(Kinetic Energy)時，便會藉由碰撞而產生新的電子電洞對，此程序持續的進行下便會形 成所謂的累增離子化效應，如圖(2-2)，在此效應下，當一個電子進入 APD 的累 增層後會產生倍數的電子輸出，於是可知此層使APD 具有內部增益存在，所以 累增層又叫做放大層[1]。
如圖(2-3)為 InGaAs/InP 的 APD 結構圖，此結構為 SAM(Separate Absorption and Multiplication region)APD。此結構的特性是透過分開放大層與吸收層達到降 低APD 本身雜訊的目的，且由圖中可以發現在 InGaAs/InP APD 中主要是由電 洞進入APD 內部的累增層進行放大。
圖2-1 (a)矽崩潰二極體的截面圖 (b)載子的參雜密度 (c)APD 內部的電場分布
S.O.Kasap, Optoelectronics(Prentice Hall)
圖2-2(a)以圖形表示離子化效應的過程 (b)當載子發生碰撞激發電子電動對
S.O.Kasap, Optoelectronics(Prentice Hall)
š p
+SiO2 Electrode
net
Avalanche region
( a ) (b )
e –
h
+E
cE
vS.O.Kasap, Optoelectronics(Prentice Hall)
圖2-3 為 InGaAs/InP 光崩潰二極體的結構與電場分布圖
2.2 APD 應用於單光子偵測器
在前面提到 APD 本身因為操作電壓的不同，而有三種不同的操作區如圖 (2-4)，分別為 Solar cell 區、Photodiode 區與 Avalanche 區，當 APD 應用在單光 子偵測器上時，其電壓是操作在avalanche 區[5]，也就是超過崩潰電壓之上的區 間，所以想把APD 用於偵測單光子的話，就必須對 APD 在 avalanche 區的操作 特性有相當的了解才行。
圖(2-4)為一般我們所熟悉的 APD 在 DC 操作下的崩潰區 I-V 特性曲線，但 是對於單光子偵測器來說，在探測光子時APD 的操作特性是隨時間做改變的，
於是在製作單光子偵測器之前我們必須分析 APD 在短時間操作的特性變化與 DC 狀態是否有所不同。
圖2-4 APD 操作在各種偏壓時的 DC 輸出曲線
Photodiode Geiger-Mode
圖2-5 APD 暫態 I-V 特性曲線圖
當 APD 兩端偏壓超過崩潰電壓時我們稱此電壓操作區間為 Geiger-Mode，
以此與大家所熟知的 Photodiode-Mode 做一區別[5]，圖(2-5)為當 APD 操作在 Geiger-Mode 時的兩種暫態 I-V 特性，圖中的 ON 曲線代表著 APD 操作在崩潰電 壓之上且有發生崩潰電流，而OFF 曲線代表著當 APD 操作在崩潰電壓之上，但 是並沒有發生崩潰效應所代表的I-V 特性圖所代表的 I-V 特性，此一特性曲線也 是在DC 的良測結果中不會發現的。分析此 I-V 特性曲線圖中兩條特性曲線的成 因與相互關悉對我們了解APD 應用於單光子偵測器的表現佔有很重要的地位。
Absorption region Avalanche region
Photon h
+Photon e
-Thermal e
-Thermal h
+圖2-6 InGaAs APD 在吸收光之後內部的載子分佈
e
-+
Avalanche region Thermal h
+Absorption region
E
Photon h
+圖2-7 放大層內的累增效應
在了解APD Geiger-Mode 的 I-V 特性之後，我們要利用圖(2-5)、(2-6)、(2-7) 來講訴APD 操作在 Photodiode Mode 與 Geiger-Mode 的物理機制與操作特性的相 異之處。圖(2-6)為 InGaAs APD 在吸收光之後內部的載子圖，圖(2-7)中表示了 APD 放大層內發生的累增效應，基本上 APD 光偵測過程分為光吸收與累增崩潰 效應兩個部分，對Photodiode-Mode 與 Geiger-Mode 來說，吸收光產生載子的機 制並沒有不同，但在累增效應方面的差異性，決定了APD 的光探測能力是否可 用於偵測單光子。由圖(2-5)可以看到兩個區間的分野為崩潰電壓[12]，操作在 Photodiode-Mode 時因為空乏區中單位長度的電場不夠高，所以當載子進入放大 層時，需要較長的距離才能得到足夠的能量以產生離子化效應，因此一顆載子造 成 離 子 化 效 應 的 能 力 有 限 ， 並 不 能 形 成 極 大 電 流 的 輸 出 ， 但 累 增 效 應 在 Photodiode-Mode 中依然有著放大載子數量的作用，光量越多光載子數也越多，
而經放大後輸出的電流亦會因為光載子的變化而變化。而操作在Geiger-Mode 下 的 APD，因為其操作電壓超過了崩潰電壓值，所以其內部空乏區中單位長度的 電場非常高，而在此情況下只需要有一顆載子進入APD 的放大層，即可產生非 常大的累增崩潰效應，而有極大電流的輸出，此時電流值的大小並不再是由光載 子數所決定，而是由APD 兩端的超額電壓所控制。
由圖(2-6)中可以知道，當有光時 APD 內部的吸收層會因為光的進入而激發 光電子電洞對，相對於無光時APD 內部只存在著由熱激發的載子，有光時 APD 內部會有兩種不同原因而產生的載子存在，所以操作在Geiger-Mode 時兩種載子 皆會導致崩潰電流產生(APD ON)。經由這個程序我們可以了解到進入放大層的 載子，是使APD 產生崩潰電流輸出的觸發源，而可觸發 APD 崩潰的載子有兩種，
熱載子與光載子。
在了解傳統光偵測二極體與單光子偵測二極體的操作特性與光偵測特性的 差異之後，我們進而介紹傳統光偵測二極體與單光子偵測二極體在受光輸出訊號 方面處理與判定的差異。傳統的光偵測器中，光子的數量決定偵測器相對應輸出 的電流量，藉由電流量大小的不同，可以判定光訊號源的大小。但是在單光子偵 測二極體中只要有一個光子便可以激發APD 產生大的電流輸出，也因為操作在 Geiger-Mode 時的 APD 內部增益極大，所以進入累增層的光載子為兩個或多個 並不會改變APD 電流的輸出，這與傳統對光量的判定方式大不相同。
而對於單光子偵測器應用於DC 光源的量測來說，有一個新的觀念可以被用 於解析非常低的光量，前面提到過，光量越大進入累增層中的載子越多，其引發 累增崩潰效應的機率就越高，在此觀念下我們透過統計Geiger-Mode APD 在一定 量的時間之下的操作次數，來統計一定量時間光量(光子數)的多寡，當APD 崩 潰的次數越高，代表此積分時間內進入APD 的光子數越多，亦代表光量越大，
以此方式，達到偵測低光量的目的。在AC 光源的環境下，單光子偵測二極體的 輸出並不能向傳統光偵測器的輸出會隨瞬間的光量變化而作電流的調整，而是只
能判別光子的出現與否，而此種偵測特性，可以用於鑑別單光子發射源。
前面比較了傳統的APD 與操作在 Geiger-Mode 的 APD 兩者對於 CW 光源與 脈衝光源光偵測特性的不同處，現在我們便把上面的敘述歸納成圖(2-8)。
Output Curren
Power
10-6W 10-5W 10-4W
(a) APD CW 光源
Power
10-14W 10-12W
(b) G-APD CW 光源
10-13W
Breakdown in 1s
Times of G-APD
0 Photon 10 Photons
(c) G-APD 脈衝光源 or not
G-APD Breakdown
1 Photon
Photon Number
圖2-8 (a)傳統 APD 在連續的光源下:利用光子轉電子的效應使光量與輸出電 流量作對應 (b) G-APD 在連續的光源下:分析在一定的積分時間內 GAPD 的重複崩潰次數(counter 數)輸出值的變化並與光量值作對應 (c) 探討GAPD 在單一次崩潰之下對不同光子數的輸出表現