[发明专利]一种单光子雪崩光电二极管电容淬灭电路

说明书

一种单光子雪崩光电二极管电容淬灭电路，属于半导体光电技术领域。本发明利用单光子雪崩光电二极管SPAD结电容与第一NMOS管M1的漏极寄生电容、第二NMOS管M2和第一PMOS管M3的栅极寄生电容充当负载电容感应雪崩电流，替代了大电阻的引入，节省了版图面积、提高像素单元填充系数，有效提高探测阵列的探测像素；本发明的电路结构简单，不存在无源器件，仅利用单光子雪崩光电二极管SPAD阳极点处的寄生负载电容感应雪崩电流并进行I‑Q‑V积分转换，将电流转换为电压信号，经反相器处理后输出脉冲信号，此结构一方面可以降低电路瞬态功耗，另一方面可以加快检测速率，缩短淬灭时间，减少流过单光子雪崩光电二极管SPAD的电荷数量，且电路结构简单，有利于大规模阵列集成。

技术领域

本发明属于半导体光电技术领域，具体提供了一种单光子雪崩光电二极管成像器件的淬灭电路，实现对单光子雪崩光电二极管的雪崩大电流的快速淬灭。

背景技术

单光子探测技术是一种基于单光子的探测技术，与基于电荷耦合器件(ChargeCouple Device)和CMOS有源像元图像传感器(CMOS Active Pixel Sensor)的传统成像技术相比，具有探测灵敏度高、反应速度快、抗噪声能力强且易于大规模阵列集成。它可以应用在生物芯片检测、医疗诊断、天文观测、量子电子学等领域，并扮演越来越重要的角色。

基于半导体雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode)的单光子探测器是目前使用最多的单光子探测器件，虽然也存在其他类型的单光子探测技术，但基于雪崩光电二极管的单光子探测器具有量子效率高、功耗低、全固态、体积小、工作电压低、对磁场不敏感等优点。单光子雪崩光电二极管具有两种工作状态，一是线性模式，雪崩光电二极管工作在偏置电压低于反向击穿电压下，限于暗(背景)噪声等影响，这种工作状态下的雪崩光电二极管仅具有较小的雪崩增益，雪崩电流较小，且探测效率低，不具有单光子探测能力。二是盖革模式，雪崩光电二极管工作在偏置电压高于反向击穿电压下，这种工作状态下，过偏压会在雪崩倍增区形成强电场，当单光子入射产生载流子进入雪崩倍增区时，会以一定概率触发雪崩倍增效应，使单光子电流在皮秒量级时间内急剧上升到毫安量级大电流，产生易于侦测的电流脉冲。在这种工作模式下的能实现的单光子侦测的雪崩光电二极管被称为单光子雪崩光电二极管(Single Photo Avalanche Diode)。由于雪崩击穿是一个自我维持过程，如果不采取抑制措施，雪崩过程将会持续到器件损坏，为了使器件可以正常状态，必须有一种能良好控制单光子雪崩光电二极管SPAD偏置状态的淬火恢复电路，在单光子雪崩光电二极管SPAD发生雪崩后可以迅速使雪崩电流淬灭，并把单光子雪崩光电二极管SPAD迅速恢复到截止以及可以重新侦测入射光子的状态。因此，淬灭电路需要完成三个目标：能迅速侦测到雪崩电流的上升沿到达，并产生一个与雪崩信号同步的标准脉冲输出；侦测到雪崩电流信号后，可以产生一个关断信号，迅速降低单光子雪崩光电二极管SPAD两端的电压到雪崩电压以下，实现雪崩电流的淬灭；雪崩电流完全淬灭后，产生一个复位信号，使单光子雪崩光电二极管SPAD两端偏置电压能自动恢复到高于雪崩电压之上，可以侦测下一次光子到达。

一个高性能的单光子探测系统一般具有电路集成度高、时间分辨率高、阵列化程度高等优点，单光子雪崩光电二极管SPAD器件阵列化的应用对后端淬灭电路也提出新的要求：集成、微型、简单、功耗低、高速检测。传统的淬灭电路一般分为被动式和主动是两种，后来又出现了主被动混合淬灭电路，然而已有的淬灭电路大多数是基于电阻检测设计的，然而电阻等无源器件的使用将增加瞬态功耗，不利于大规模集成。