单光子探测器SPICE模型及主被动混合淬灭电路研究

单光子雪崩光电二极管(SPAD)是目前激光测距领域常见的单光子探测器。针对SPAD在单光子探测应用中的高速淬灭问题,设计了一种可以快速淬灭雪崩电流、缩短偏置电压恢复时间的主被动混合淬灭电路。根据实际使用的SPAD器件相关性能参数,建立了SPAD的SPICE模型;使用被动淬灭电路对该模型进行验证,证实了该模型的准确性和实用性;结合SPICE模型,通过计算机仿真技术对主被动混合淬灭电路进行了参数调整和功能验证。结果表明,所设计电路的淬灭时间和恢复时间分别达到200和400ps,满足单光子激光测距的应用需求。该混合淬灭电路结构简单,可以用于全集成单光子阵列探测器的相关研究。

用于SPAD阵列的高速主被动混和淬灭电路

单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode,SPAD)具有响应速度快、抗干扰能力强等优点,具备优异的单光子检测能力,因而在激光雷达、量子通信应用、荧光光谱分析等弱光探测领域得到了广泛应用。在单光子探测成像领域中,为了获得更高的分辨率和更快的扫描探测速度,探测器正朝着大规模阵列化和高度集成化的方向发展,阵列应用要求淬灭电路较小的电路面积。基于盖革模式下SPAD的探测成像应用,建立了雪崩信号检测与淬灭的信号模型,并通过数学分析得到了混和淬灭电路中的最优检测电阻取值,在理论分析基础上对混合淬灭电路的结构和参数进行了设计与优化。根据建模分析结果,设计了一种主被动混合的高速淬灭电路结构,以较小的电路面积实现了雪崩信号快速检测与淬灭。基于TSMC 0.35μm CMOS工艺完成了电路版图的设计与流片。芯片测试结果表明,电路的淬灭时间约为2.9 ns,复位时间为1.75 ns。结合版图面积的占用情况,所设计的电路具有较高的“性价比”,可以满足SPAD阵列型读出电路的需求,具有快速雪崩淬灭和复位的特点。