[发明专利]一种单光子雪崩二极管探测器的电路仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及单光子雪崩二极管探测器的一种电路仿真方法，该方法使用一种电路模型精确模拟了探测器对单个光子的探测行为，包括直流特性和交流特性。模型使用模拟硬件描述语言Verilog-A实现，具有很好的通用性，可在通用的电路仿真器上与其他电子电路一起完成器件和电路的混合仿真。

背景技术

单光子雪崩二极管（Single Photo Avalanche Diode，以下简称SPAD）是一种工作于盖革模式下的雪崩光电二极管。在盖革模式下，SPAD的外加工作电压高于雪崩电压阈值，当SPAD吸收光子后立即释放出电子-空穴对，电子和空穴在耗尽区的内建电场作用下加速，迅速获得足够的能量，从而与晶格发生碰撞并产生新的电子空穴对，这个过程形成一种连锁反应，最终产生类似雪崩倍增的现象，即由光吸收产生的一对电子空穴对可以形成大量的电子-空穴对而构成较大的二次光电流。SPAD具有非常高的内部增益，单个光子入射即可能引起类似雪崩的现象，实现对单光子的探测。因此，SPAD作为一种新型技术，由于能够实现对极微弱光信号的探测而倍受人们的关注。

SPAD产生雪崩脉冲信号以后需要一个淬灭和复位电路迅速将雪崩现象淬灭同时将SPAD的偏置电压复位到雪崩电压以上，以便下一次的探测。为了能使SPAD与后续的淬灭和复位电路进行混合仿真，提高电路设计的准确性，需要为SPAD提供一个非常精确的电路仿真模型来模拟其各种行为。但是工艺线上并没有提供成熟的电路模型可直接调用，所以设计人员往往在涉及到相关的芯片设计时都使用一个等效电路进行替代。早期的模型只考虑了器件在雪崩时的直流特性，仿真精度较低，后来Zappa等人进一步考虑了器件的交流特性，提出了一个具有较高精度的SPICE模型，但该模型电路的结构复杂，其中很多元件参数都不容易确定，实际操作起来收敛性不好。因此，为单光子雪崩二极管提取一个结构简单、精确度高、能够直接在仿真器上使用的通用仿真模型是成功设计出单光子探测系统的前提。对于该模型的要求是：能准确模拟出SPAD器件的各种行为，尤其是SPAD的直流、交流特性，以及温度效应等影响。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种单光子雪崩二极管探测器的电路仿真方法，首先为SPAD建立了一个完整的电路仿真模型，精确的描述了其直流、交流特性以及温度效应，模拟SPAD对单个光子的探测行为。然后该模型用硬件描述语言Verilog-A实现，在通用仿真器如Cadence上进行SPAD的电路仿真。

技术方案：本发明的单光子雪崩二极管（SPAD）探测器的电路仿真模型，其电路结构由直流网络SRV与交流网络KAS并联构成。直流网络SRV由三条支路并联得到，每条支路都由一个开关S、一个电阻R和一个直流电压源V串联而成；交流网络KAS由三个电容C_ka、C_ks和C_as混联得到。

所述的直流网络SRV由器件阴极端口K与阳极端口A之间的三条支路并联而成。支路1由开关S_FW、电阻R_FW和电压源V_FW串联，其中V_FW的正极与端口A直接相连；支路2由开关S_AM、电阻R_AM和电压源V_AM串联，其中V_AM的负极与端口A直接相连；支路3由开关S_GM、电阻R_GM和电压源V_GM串联，其中V_GM的负极与端口A直接相连。所以，直流网络SRV的电流值I_spad由三条支路的电流值贡献得到，其计算方法是：

I_spad=I_FW+I_AM+I_GM    （1）

I_Fw=I_s（eV_D/U_T-1）V_D≥V_FW    （2）