一種高速度高密度的單光子雪崩二極管探測(cè)器的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、單光子雪崩二極管（SPAD）以其雪崩增益大、響應(yīng)速度快、探測(cè)效率高、體積小、質(zhì)量輕、功耗低等特點(diǎn)成為制作單光子探測(cè)器的最佳器件，陣列集成的SPAD探測(cè)器，還能夠獲得光子信號(hào)的時(shí)間和空間信息，因而在弱光信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)的發(fā)展難點(diǎn)在于如何降低SPAD陣列的面積，本文針對(duì)該問題進(jìn)行了深入的研究。
　　第一，傳統(tǒng)技術(shù)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(shù)和淺溝槽隔離（STI）技術(shù)設(shè)計(jì)了兩種適宜小尺寸的SPAD結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果都證明這種小尺寸的SPAD能夠滿足暗計(jì)數(shù)少和邊緣電場(chǎng)低的要求。
　　第二，為 SPAD建立了一個(gè)EDA模型，目的是為了能夠與淬滅和讀出電路進(jìn)行混合仿真，提高電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。該模型用模擬硬件描述語言 Verilog-A實(shí)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(jì)數(shù)和溫度效應(yīng)等基本功能，其SPECTRE仿真結(jié)果與器件的實(shí)測(cè)結(jié)

3、果基本一致。
　　第三，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的淬滅和讀出電路，能夠達(dá)到高速響應(yīng)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(shù)字讀出方式，需要用到8位以上的高速計(jì)數(shù)器和鎖存器等，面積過大。本文設(shè)計(jì)的主動(dòng)式淬滅電路中只用了5個(gè)小尺寸的MOS管，將死時(shí)間降低到6個(gè)ns，采用電容計(jì)數(shù)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(duì)數(shù)兩種計(jì)數(shù)方式。
　　最后，利用空間嵌入提出了一種基于