單光子雪崩二極管建模及基于熒光壽命成像的像素單元設(shè)計(jì).pdf

1、蓋革模式下的單光子雪崩二極管SPAD(Single Photon Avalanche Diode)是一種能夠探測極微弱光信號的探測器，在量子物理、生物醫(yī)學(xué)、天文學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而關(guān)于SPAD器件的理論研究，都是基于經(jīng)驗(yàn)公式和半導(dǎo)體物理的理論公式推導(dǎo)而來，所有的理論結(jié)果都需要實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，這加大了器件的研究成本。在仿真模型方面，目前CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工藝廠商并沒

2、有提供準(zhǔn)確的可供電路仿真的SPAD EDA模型，給系統(tǒng)的仿真帶來困難。在熒光壽命應(yīng)用方面，目前比較成熟的技術(shù)是TCSPC(Time-Correlated Single Photon Counting)，但其占用了較大版圖面積，應(yīng)用TCSPC浪費(fèi)了電路性能。
　　針對上述存在的一些問題，首先，本文深入研究了影響探測器探測效率、暗計(jì)數(shù)率、后脈沖幾率的物理機(jī)制。對探測效率綜合考慮上表面吸收、下表面吸收、耗盡層吸收三個(gè)物理機(jī)制，結(jié)合Sil

3、vaco仿真工具提取器件的電場分布和雪崩觸發(fā)幾率分布，從而計(jì)算探測效率隨過偏壓、探測區(qū)面積、波長的變化關(guān)系，并與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對，驗(yàn)證理論的正確性。同時(shí)深入探討了影響暗計(jì)數(shù)率的三個(gè)物理機(jī)制—熱產(chǎn)生、缺陷輔助遂穿、帶帶遂穿，分析在低場和強(qiáng)場下，分別是那種機(jī)制占主導(dǎo)作用，并文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對，分析誤差原因。對后脈沖幾率，假定了兩個(gè)陷阱能級對后脈沖幾率的影響，研究了陷阱電子和空穴從俘獲到再次釋放的過程，最終計(jì)算出后脈沖幾率。

4、r>　　其次，在上述理論模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)行為性的單光子探測器EDA(Electronic Design Automation)仿真模型，該模型不僅可以模擬器件的電流電壓特性，而且首次將上述的理論計(jì)算得到光子探測效率，暗計(jì)數(shù)率和后脈沖幾率，轉(zhuǎn)化為器件仿真時(shí)的噪聲參數(shù)，使EDA模型的仿真結(jié)果更加符合實(shí)際器件的工作狀態(tài)。該仿真模型應(yīng)用硬件描述語言Verilog-A來實(shí)現(xiàn)，語言中包含一些隨機(jī)分布函數(shù)，利用這些函數(shù)，可以很好地實(shí)現(xiàn)器件的行

5、為性特性的仿真建模。
　　最后，設(shè)計(jì)一個(gè)檢測熒光壽命的像素單元電路，該電路應(yīng)用時(shí)間門控探測方法，利用兩個(gè)門控窗口，通過大量的累計(jì)實(shí)驗(yàn)，將兩個(gè)門控窗口內(nèi)到達(dá)的光子數(shù)統(tǒng)計(jì)出來，最終確定熒光的壽命。因?yàn)榇蟛糠譄晒獾膲勖荚趎s級，所以需要通過單穩(wěn)態(tài)電路將光子脈沖壓縮為300ps左右的精度。該電路與時(shí)間相關(guān)的單光子計(jì)數(shù)相比，不需要記錄每個(gè)光子的到達(dá)時(shí)間，因而壓縮單個(gè)像素單元的面積，使得大規(guī)模的陣列集成成為可能。同時(shí)該電路可以工作于兩種狀態(tài)