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il LED come Rivelatore a Singolo fotone

Abstract : In questo articolo vogliamo mostrare come un semplice LED può essere utilizzato come un rivelatore a singolo fotone. Il dispositivo SPAD (rivelatore a valanga a singolo fotone) è un dispositivo simile a un fotodiodo che può reagire a un singolo fotone producendo un impulso di corrente misurabile. Mostriamo che un normale LED rosso può funzionare, anche se con efficienza molto inferiore, come un dispositivo SPAD.

Rivelatore a Singolo Fotone : il dispositivo SPAD

Lo SPAD (single photon avalanche detector) è un dispositivo simile a un fotodiodo che funziona in un’area operativa che di solito viene evitata : polarizzato con tensioni maggiori a quella di rottura. Un fotodiodo convenzionale viene solitamente realizzato con una giunzione p-n polarizzata inversamente (un diodo) in cui i fotoni che colpiscono il dispositivo interagiscono con il silicio e generano coppie di lacune ed elettroni, principalmente a causa dell’effetto fotoelettrico nella gamma di lunghezze d’onda visibili. Queste coppie di portatori sono quindi separate dal forte campo elettrico esistente nella zona adiacente alla giunzione e quindi possono raggiungere gli elettrodi generando quindi una corrente. Nei fotodiodi normali sono necessari molti fotoni per avere un segnale di corrente misurabile, quindi questi dispositivi non sono adatti per misurare la luce di intensità molto bassa.

Aumentando la tensione di polarizzazione inversa del fotodiodo, mantenendola però inferiore al valore di rottura, il campo elettrico nella zona di svuotamento diventa abbastanza alto da attivare il processo di ionizzazione per impatto, questo significa che ogni elettrone può creare a sua volta altri portatori di carica, in un processo di moltiplicazione, e la corrente risultante sarà abbastanza alta da essere misurabile anche se i fotoni originari sono pochi, ma il comportamento rimane comunque di tipo lineare-analogico : ad un numero maggiore di fotoni corrisponde una corrente più intensa. Tale dispositivo si chiama APD (avalanche photodiode).

Aumentando ulteriormente la tensione di polarizzazione, oltre la tensione di rottura, il processo a valanga diventa auto-sostenuto con guadagni ancora più elevati (circa 106) e il fotodiodo diventa un dispositivo digitale che risponde anche solo a un singolo fotone con un impulso di corrente macroscopica di valore indipendente dal numero di fotoni iniziali, questo dispositivo è ora chiamato SPAD. Ovviamente la corrente di valanga deve essere in qualche modo limitata altrimenti il ​​dispositivo si danneggerebbe in breve tempo, inoltre durante la corrente di valanga il dispositivo non è in grado di reagire ad altri fotoni, quindi è “cieco”, da qui la necessità di “spegnere” rapidamente l’impulso di corrente.

L’immagine seguente mostra la sezione trasversale di un tipico dispositivo SPAD con la “finestra” superiore per consentire ai fotoni di entrare nell’area attiva che è la zona di svuotamento tra gli strati n+ e p+.

Il comportamento elettrico del dispositivo APD – SPAD può essere facilmente descritto con la curva caratteristica I-V (vedere il grafico seguente). Ci sono due aree. Al di sotto della tensione di breakdown Vbd il dispositivo funziona in modo lineare, questo è un dispositivo APD. Appena sopra Vbd il dispositivo funziona nella cosiddetta modalità geiger e la commutazione tra gli stati On – Off è innescata dall’assorbimento di un fotone.

Nel diagramma seguente è mostrato uno schema base per uno SPAD. In serie con il rivelatore SPAD c’è un resistore. Quando la corrente aumenta dopo un processo di moltiplicazione a valanga, la caduta di tensione sul resistore aumenta e di conseguenza la tensione di polarizzazione sullo SPAD scende al di sotto di Vbd causando lo spegnimento della valanga. La tensione sul resistore mostra un impulso che può produrre a sua volta un impulso quadrato che indica che un fotone ha innescato il processo.

Lo SPAD in pratica funziona come rivelatore di singoli fotoni e la misura della intensità di luce che colpisce il dispositivo viene fatta attraverso la frequenza degli impulsi prodotti (count rate). Da qui la necessità di accorciare il più possibile la durata del singolo impulso in modo da permettere maggiori frequenze di conteggio.

Il Diodo LED utilizzato come SPAD

I dispositivi SPAD sono piuttosto costosi e spesso necessitano di tensioni di funzionamento piuttosto elevate (100-200V), però c’è una alternativa low-cost adatta per essere utilizzata a fini didattici per realizzare alcuni esperimenti : si tratta del LED ! Il LED infatti ha una struttura costruttiva simile a quella dello SPAD e, opportunamente polarizzato, può anche funzionare come rivelatore di singolo fotone.
Nelle nostre prove abbiamo utilizzato un LED a base di fosfuro-arseniuro di gallio (GaAsP) con emissione sul rosso, si tratta di una tipologia di LED piuttosto comune. Non tutti i LED però funzionano allo stesso modo, è stato necessario fare qualche prova prima di trovare un modello adatto. L’immagine sotto mostra la basetta con il LED ed i componenti accessori necessari a realizzare le diverse configurazioni circuitali che abbiamo adottato. Per il nostro LED abbiamo trovato una tensione di bias a partire dalla quale si manifesta il funzionamento come SPAD, di 22,5V.

Quenching Passivo

La configurazione più semplice per utilizzare uno SPAD è quella che utilizza una resistenza in serie al dispositivo al fine di spegnere la corrente di scarica. Questa configurazione è nota come quenching passivo. In pratica si utilizzano due resistori, uno di bias ed uno per il quenching, come mostrato nello schema sotto.

Quando inizia la corrente conseguente all’innesco della valanga, le resistenze limitano la corrente di scarica e, al crescere della corrente, fanno diminuire la tensione sullo SPAD fino a livelli sotto il valore Vbd , con il risultato di spegnere la scarica.
Il valore della resistenza di quenching è compreso tra 10KΩ e 100KΩ, valori inferiori a 10KΩ non permettono di spegnere la scarica, mentre valori superiori a 100KΩ allungano di molti i tempi di spegnimento. Va infatti considerato che lo spegnimento della scarica segue un andamento esponenziale guidato dalla costante di tempo RC, dove R è la resistenza di quenching e C è la capacità della giunzione dello SPAD (nel nostro caso del LED).
Nel tracciato sotto si vede un tipico impulso che si ottiene con il nostro LED, con una resistenza di quenching da 39KΩ, dall’andamento dell’impulso si può stimare una capacità della giunzione di circa 150pF.

Quenching Attivo

Nel paragrafo precedente abbiamo visto che con il quenching passivo non è possibile ridurre la durata dell’impulso oltre un certo valore. Ridurre il resistore di quenching ha si l’effetto di ridurre l’impulso, ma oltre un certo valore non ha più l’effetto di spegnimento della scarica perché la caduta di tensione sul resistore diventa troppo ridotta.
L’alternativa è adottare una tecnica diversa, nota con il nome di quenching attivo.
Nel quenching attivo si utilizza un elemento per rilevare velocemente la scarica, in pratica un amplificatore operazionale utilizzato come comparatore. il segnale prodotto dall’amplificatore viene utilizzato per pilotare il gate di un CMOS che, quando in conduzione, provvede ad azzerare la tensione di polarizzazione dello SPAD e spegnere così la scarica. La configurazione adottata è mostrato nello schema seguente.

Con la tecnica del quenching attivo è possibile ridurre notevolmente la durata degli impulsi in modo da aumentare il counting rate. Nel nostro caso abbiamo raggiunto agevolmente una durata dell’ordine di 2-4 μsec che corrisponde ad una frequenza massima di conteggio pari a 250-500 KHz.
I tracciati riportati sotto mostrano gli impulsi sul resistore di carico, in giallo, e gli impulsi prodotti dal comparatore, in blu.

Afterpulsing

Il dispositivo SPAD mostra il fenomeno dell’After-pulsing. Durante una valanga, le cariche possono rimanere intrappolate all’interno di livelli interni e rilasciate successivamente. Ciò provoca ulteriori valanghe correlate a quella iniziale, queste sono caratterizzate da un valore di probabilità di insorgenza dell’After-pulsing. La traccia seguente mostra un esempio di after-pulsing.

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