一種高速度高密度的單光子雪崩二極管探測器的研究與設計.pdf

1、單光子雪崩二極管（SPAD）以其雪崩增益大、響應速度快、探測效率高、體積小、質量輕、功耗低等特點成為制作單光子探測器的最佳器件，陣列集成的SPAD探測器，還能夠獲得光子信號的時間和空間信息，因而在弱光信號檢測領域得到了廣泛的應用。該技術的發(fā)展難點在于如何降低SPAD陣列的面積，本文針對該問題進行了深入的研究。
　　第一，傳統(tǒng)技術中一般采用大尺寸的SPAD，其有源區(qū)直徑在15μm~30μm之間，本文基于SMIC0.13μm CMOS

2、工藝中的深n阱技術和淺溝槽隔離（STI）技術設計了兩種適宜小尺寸的SPAD結構，仿真結果和實測結果都證明這種小尺寸的SPAD能夠滿足暗計數少和邊緣電場低的要求。
　　第二，為 SPAD建立了一個EDA模型，目的是為了能夠與淬滅和讀出電路進行混合仿真，提高電路設計的準確性。該模型用模擬硬件描述語言 Verilog-A實現(xiàn)，描述了蓋革模式下的電流電壓特性，增加了后脈沖、暗計數和溫度效應等基本功能，其SPECTRE仿真結果與器件的實測結

3、果基本一致。
　　第三，設計了一種結構緊湊的淬滅和讀出電路，能夠達到高速響應的要求。傳統(tǒng)方案一般采用大尺寸的MOS管或高值電阻提高淬滅速度，像素單元幾乎都采用數字讀出方式，需要用到8位以上的高速計數器和鎖存器等，面積過大。本文設計的主動式淬滅電路中只用了5個小尺寸的MOS管，將死時間降低到6個ns，采用電容計數的模擬讀出方式，不僅大大降低了像素單元的面積，還提供了線性和對數兩種計數方式。
　　最后，利用空間嵌入提出了一種基于