一种单光子雪崩光电二极管电容淬灭电路制造技术

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。本发明专利技术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；本发明专利技术的电路结构简单，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。

【技术实现步骤摘要】
一种单光子雪崩光电二极管电容淬灭电路
本专利技术属于半导体光电
，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。
技术介绍
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(ChargeCoupleDevice)和CMOS有源像元图像传感器(CMOSActivePixelSensor)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(AvalanchePhotoDiode)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(SinglePhotoAvalancheDiode)。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。随着大规模阵列单光子雪崩光电二极管SPAD的发展，单光子雪崩光电二极管SPAD阵列规模的扩大给淬灭电路带来更多的设计难度，具体表现为：在大规模阵列应用中，像素单元的数目保证了探测精度，但是越多的像素单元个数也带来更多的问题，单个像素单元的功耗对芯片产生很大的影响。从静态功耗来看，大阵列读出电路静态电流过大，将会导致引线的电压降很大，引起芯片内部工作电压的不均匀分布。从动态功耗来看，基于电阻探测的雪崩淬灭电路在雪崩发生时会产生较大的瞬态电流，而当负载瞬态电流发生后，由于负载芯片内部晶体管电平转换速度极快，必须在极短的时间内为负载芯片提供足够的电流。但是稳压电源无法很快响应，导致电流无法快速响应负载电流的变化，造成负载芯片的电压跌落。大规模探测阵列的探测精度与像素单元密度有关，即读出电路的像素单元面积由单光子雪崩光电二极管SPAD像素的间距决定。为了获得较大的光敏面填充系数，提高量子侦测效率和探测精度，单光子雪崩光电二极管SPAD的像素间距需要足够小，因此，读出电路需要结构简单、紧凑。综上所诉，为了一个高性能的单光子雪崩光电二极管探测器设计一个响应速度快、结构紧凑简单、集成程度高的淬灭电路十分必要。对该电路的要求：高速的单光子探测要求淬灭在几个纳秒内完成；另外大阵列应用的不均匀性、噪声、光学串扰及后脉冲等影响与雪崩光电二极管产生的雪崩电荷数量相关，因此淬灭电路的负载电容应该尽可能小；淬灭电路的静态电流也应该尽可能的小，因为在大规模阵列中，每一个像素单元的静态电流的增加都会导致整个芯片静态的几十倍的增加，而增加的静态电流将会产生电压降，导致阵列内部工作电压达不到外加电源电压大小，不均匀的电压也会导致噪声影响。
技术实现思路
针对现有淬灭电路存在的问题，本专利技术提供了一种应用于单光子雪崩光电二极管的结构紧凑型电容感应淬灭电路，利用单光子雪崩光电二极管SPAD结电容与节点寄生电容感应雪崩电流脉冲，避免了被动淬灭电路大电阻的引入带来的版图面积过大的问题；其次，普通利用晶体管感应雪崩电流的淬灭电路都会由于负载电阻随单光子雪崩光电二极管SPAD的雪崩峰值电流而变化，大大限制了这类雪崩电路的应用范围，而电容淬灭电路可以突破这种限制；另外，本专利技术利用电容感应雪崩电流，避免了大电阻的引入带来的瞬态功耗过大的问题，能够有效降低总体功耗，而且静态电流也较普通电阻感应式淬灭电路小；最后，本专利技术针对不同单光子雪崩光电二极管SPAD的特性，设计了一种可调节时间保持电路，增加电路灵活度。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下的技术方案：一种单光子雪崩光电二极管电容淬灭电路，包括第一NMOS管M1、第二NMOS管M2、第一PMOS管M3、第二PMOS管M4、第一反相器INV1和保持电路，第一NMOS管M1的栅极接保持电路的输出端，其漏极接第二NMOS管M2和第一PMOS管M3的栅极、第二PMOS管M4的漏极和单光子雪崩光电二极管SPAD的阳极；第二NMOS管M2和第一PMOS管M3的漏极互连并输出雪崩电流脉冲信号OUTb到第一反相器INV1的输入端、保持电路的输入端和第二PMOS管M4的栅极，第一反相器INV1的输出端输出雪崩电流脉冲信号OUTb的数字信号OUT；第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的源极接地，第一PMOS管M3和第二PMOS管M4的源极接电源电压VDD；所述保持电路用于产生延后于雪崩电流脉冲信号OUTb的复位信号REC。具体的，所述保持电路包括第二反相器INV2、第三反相器INV3、第三NMOS管MN3、第三PMOS管MP3、电阻RS、电容C0和或非门NOR1，第二反相器INV2的输入端连接或非门NOR1的第一输入端并作为保持电路的输入端，其输出端连接第三反相器INV3的输入端以及第三NMOS管MN3和第三PMOS管MP3的栅极，第三反相器INV3的输出端连接第三PMOS管MP3的源极并通过电阻RS后接第三NMOS管MN3的漏极，第三NMOS管MN3的源极连接第三PMOS管MP3的漏极和或非门NOR1的第二输入端并通过电容C0后接地，或非门NOR1的输出端作为保持电路的输出端。具体的，所述保持电路中，第二反相器INV2由第四NMOS管MN4和第四PMOS管MP4组成，第四NMOS管MN4和第四PMOS管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单光子雪崩光电二极管电容淬灭电路，其特征在于，包括第一NMOS管(M1)、第二NMOS管(M2)、第一PMOS管(M3)、第二PMOS管(M4)、第一反相器(INV1)和保持电路，第一NMOS管(M1)的栅极接保持电路的输出端，其漏极接第二NMOS管(M2)和第一PMOS管(M3)的栅极、第二PMOS管(M4)的漏极和单光子雪崩光电二极管(SPAD)的阳极；第二NMOS管(M2)和第一PMOS管(M3)的漏极互连并输出雪崩电流脉冲信号(OUTb)到第一反相器(INV1)的输入端、保持电路的输入端和第二PMOS管(M4)的栅极，第一反相器(INV1)的输出端输出雪崩电流脉冲信号(OUTb)的数字信号(OUT)；第一NMOS管(M1)和第二NMOS管(M2)的源极接地，第一PMOS管(M3)和第二PMOS管(M4)的源极接电源电压(VDD)；所述保持电路用于产生延后于雪崩电流脉冲信号(OUTb)的复位信号(REC)。

【技术特征摘要】
1.一种单光子雪崩光电二极管电容淬灭电路，其特征在于，包括第一NMOS管(M1)、第二NMOS管(M2)、第一PMOS管(M3)、第二PMOS管(M4)、第一反相器(INV1)和保持电路，第一NMOS管(M1)的栅极接保持电路的输出端，其漏极接第二NMOS管(M2)和第一PMOS管(M3)的栅极、第二PMOS管(M4)的漏极和单光子雪崩光电二极管(SPAD)的阳极；第二NMOS管(M2)和第一PMOS管(M3)的漏极互连并输出雪崩电流脉冲信号(OUTb)到第一反相器(INV1)的输入端、保持电路的输入端和第二PMOS管(M4)的栅极，第一反相器(INV1)的输出端输出雪崩电流脉冲信号(OUTb)的数字信号(OUT)；第一NMOS管(M1)和第二NMOS管(M2)的源极接地，第一PMOS管(M3)和第二PMOS管(M4)的源极接电源电压(VDD)；所述保持电路用于产生延后于雪崩电流脉冲信号(OUTb)的复位信号(REC)。2.根据权利要求1所述的单光子雪崩光电二极管电容淬灭电路，其特征在于，所述保持电路包括第二反相器(INV2)、第三反相器(INV3)、第三NMOS管(MN3)、第三PMOS管(MP3)、电阻(RS)、电容(C0)和或非门(NOR1)，第二反相器(INV2)的输入端连接或非门(NOR1)的第一输入端并作为保持电路的输入端，其输出端连接第三反相器(INV3)的输入端以及第三NMOS管(MN3)和第三PMOS管(MP3)的栅极，第三反相器(INV3)的输出端连接第三PMOS管(MP3)的源极并通过电阻(RS)后接第三NMOS管(MN3)的漏极，第三NMOS管(MN3)的源极连接第三PMOS管(MP3)的漏极和或非门(NOR1)的第二输入端并通过电容(C0)后接地，或非门(NOR1)的输出端作为保持电路的输出端。3.根据权利要求2所述的单光子雪崩光电二极管电容淬灭电路，其特征在于，所述保持电路中第二反相器(INV2)由第四NMOS管(MN4)和第四PMOS管(MP4)组成，第四NMOS管(MN4)和第四PMOS管(MP4)的栅极互连并作为第二反相器(INV2)的输入端，其漏极互连并作为第二反相器(INV2)的输出端，第四NMOS管(MN4)的源极接地(GND)，第四PMOS管(MP4)的源极接电源电压(VDD)；所述第三反相器(INV3)由第五NMOS管(MN5)和第五PMOS管(MP5)组成，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张有润，刘凯，刘影，钟晓康，王文，李明晔，张波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51