【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于spad器件淬灭整形的电路及其方法，属于基于半导体技术的spad单光子成像领域。
技术介绍
1、单光子雪崩二极管即spad(single photon avalanche diode)具有探测单个光子并将光信号转化为电信号的能力，其工作原理为：当一个光子进入spad感光区，光子有一定概率被耗尽区吸收并产生电子-空穴对，该电子-空穴对在耗尽区强电场作用下能通过倍增效应迅速产生大量载流子，触发一次雪崩击穿。因此，spad具有灵敏度高、增益大和速度快等优势，受到业界研究者的青睐，在量子通信、放射性探测和高灵敏度传感器等领域被广泛应用。
2、但spad的雪崩击穿是一种自持续行为，没有外界的干扰抑制，其雪崩行为是无法自主停止，如果长时间处于雪崩击穿的大电流条件下，spad会发热甚至烧毁，并且无法进入新的探测周期再次正常工作。所以spad往往需要与淬灭电路一同使用，以及时对雪崩进行抑制。淬灭电路的工作过程如下：首先spad雪崩信号发生，淬灭电路进行雪崩电流感应并及时淬灭雪崩大电流，将器件反偏电压降低到雪崩电压以下，并输出脉冲信号，然后对器件进行复位，恢复到初始状态，并开始下一轮循环。
3、淬灭电路目前主要有被动淬灭电路、主动淬灭电路以及门控淬灭电路等几种模式。被动淬灭原理是在spad上串联一个大电阻，在雪崩大电流来临后电阻会分掉很大一部分电压，使得加在spad两端的电压小于雪崩击穿电压，从而达到淬灭的目的，虽然这种电路结构简单，但是所需恢复时间较长，而且大电阻占用面积大。主动淬灭的原理是引入反馈
技术实现思路
1、针对以上现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种用于spad器件淬灭整形的电路及其方法，此电路结构可以实现有效快速的spad器件淬灭和光子探测脉冲信号的整形输出，并且与标准集成电路工艺兼容。
2、本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种用于spad器件淬灭整形的电路，包括主动淬灭电路、延迟反相器、或非门和整形电路，其特征在于，所述主动淬灭电路接收spad器件检测到光子产生的雪崩信号并输出高电平；所述延迟反相器用于产生与主动淬灭电路输出有一定延迟的低电平信号；所述或非门对主动淬灭电路和延迟反相器的输出进行或非的逻辑处理并产生脉冲输出；所述整形电路用于脉冲输出的整形。
4、进一步地，所述主动淬灭电路由p型晶体管pm0、pm1和n型晶体管nm0、nm1、nm2构成，spad器件与晶体管nm0的漏端以及nm1的栅端相连作为输入端，晶体管nm1的漏端信号经过晶体管pm1和nm2构成的反相器进行输出。
5、进一步地，所述延迟反相器由p型晶体管pm2、pm3和n型晶体管nm3构成，主动淬灭电路产生的高电平信号输入晶体管pm3和nm3相连的栅端，会在晶体管pm3和nm3相连的漏端产生一个与原信号有一定时间延迟的低电平信号。
6、进一步地，所述或非门由p型晶体管pm4、pm5和n型晶体管nm4、nm5构成，晶体管pm4和nm5相连的栅端为第一输入端，晶体管pm5和nm4相连的栅端为第二输入端，晶体管pm5、nm4和nm5相连的漏端为输出端。
7、进一步地，所述整形电路由p型晶体管pm6、pm7和n型晶体管nm6、nm7构成，晶体管pm6和nm6相连的栅端为输入端，晶体管pm7和nm7相连的漏端为输出端，其中，晶体管pm6和nm6构成第一级反相器，晶体管pm7和nm7构成第二级反相器。
8、本专利技术还提供一种利用上述电路的淬灭整形方法，该方法步骤为：
9、当有光子到达spad器件时，器件发生雪崩击穿，晶体管nm1栅端由于连接到高电平从而开启，其漏端输出低电平，并经过所述主动淬灭电路的反相器后变成高电平；此高电平信号经过所述延迟反相器后输出一个与原信号有一定时间延迟的低电平信号；所述高电平信号和低电平信号再通过所述或非门即可产生高电平脉冲输出；最后再通过所述整形电路进行脉冲整形，并最终输出指示spad器件探测到光子的脉冲信号。
10、本专利技术提供了一种用于spad器件淬灭整形的电路结构及其方法，它相较于目前已有的spad淬灭电路结构增加了脉冲整形的部分，可以使电路的脉冲输出更标准，也方便后续加入其它模块时的直接输入；并且采用主动的淬灭方式使得电路工作效率更高，由于spad器件的淬灭是通过直接调节gate电压实现的，响应速度达到ns级。同时，本专利技术电路与标准集成电路工艺相兼容的设计使得该电路结构在大规模的spad阵列中的应用成为可能。
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1.一种用于SPAD器件淬灭整形的电路，包括主动淬灭电路、延迟反相器、或非门和整形电路，其特征在于，所述主动淬灭电路接收SPAD器件检测到光子产生的雪崩信号并输出高电平；所述延迟反相器用于产生与主动淬灭电路输出有一定延迟的低电平信号；所述或非门对主动淬灭电路和延迟反相器的输出进行或非的逻辑处理并产生脉冲输出；所述整形电路用于脉冲输出的整形。
2.根据权利要求1所述的一种用于SPAD器件淬灭整形的电路，其特征在于，所述主动淬灭电路由P型晶体管PM0、PM1和N型晶体管NM0、NM1、NM2构成，SPAD器件与晶体管NM0的漏端以及NM1的栅端相连作为输入端，晶体管NM1的漏端信号经过晶体管PM1和NM2构成的反相器进行输出。
3.根据权利要求1所述的一种用于SPAD器件淬灭整形的电路，其特征在于，所述延迟反相器由P型晶体管PM2、PM3和N型晶体管NM3构成，主动淬灭电路产生的高电平信号输入晶体管PM3和NM3相连的栅端，会在晶体管PM3和NM3相连的漏端产生一个与原信号有一定时间延迟的低电平信号。
4.根据权利要求1所述的一种用于SPAD器件淬
5.根据权利要求1所述的一种用于SPAD器件淬灭整形的电路，其特征在于，所述整形电路由P型晶体管PM6、PM7和N型晶体管NM6、NM7构成，晶体管PM6和NM6相连的栅端为输入端，晶体管PM7和NM7相连的漏端为输出端，其中，晶体管PM6和NM6构成第一级反相器，晶体管PM7和NM7构成第二级反相器。
6.利用如权利要求1所述一种用于SPAD器件淬灭整形的电路的淬灭整形方法，其特征在于，该方法步骤为：
7.利用如权利要求6所述一种用于SPAD器件淬灭整形的电路的淬灭整形方法，其特征在于，所述延迟反相器由P型晶体管PM2、PM3和N型晶体管NM3构成，通过调节晶体管PM2的栅端电压VM可以实现不同水平的时延。
8.利用如权利要求6所述一种用于SPAD器件淬灭整形的电路的淬灭整形方法，其特征在于，所述主动淬灭电路由P型晶体管PM0、PM1和N型晶体管NM0、NM1、NM2构成，SPAD器件与晶体管NM0的漏端以及NM1的栅端相连作为输入端，晶体管NM1的漏端信号经过晶体管PM1和NM2构成的反相器进行输出；通过晶体管NM0的栅端电压信号GATE，可以自主调节SPAD器件两端的压差降至雪崩电压以下，即一旦检测到输出端产生高电平信号，就可以将栅端电压信号GATE拉高，使晶体管NM0开启，漏端电压被降低到0V，从而使器件脱离雪崩击穿状态进行复位，实现主动淬灭。
...【技术特征摘要】
1.一种用于spad器件淬灭整形的电路，包括主动淬灭电路、延迟反相器、或非门和整形电路，其特征在于，所述主动淬灭电路接收spad器件检测到光子产生的雪崩信号并输出高电平；所述延迟反相器用于产生与主动淬灭电路输出有一定延迟的低电平信号；所述或非门对主动淬灭电路和延迟反相器的输出进行或非的逻辑处理并产生脉冲输出；所述整形电路用于脉冲输出的整形。
2.根据权利要求1所述的一种用于spad器件淬灭整形的电路，其特征在于，所述主动淬灭电路由p型晶体管pm0、pm1和n型晶体管nm0、nm1、nm2构成，spad器件与晶体管nm0的漏端以及nm1的栅端相连作为输入端，晶体管nm1的漏端信号经过晶体管pm1和nm2构成的反相器进行输出。
3.根据权利要求1所述的一种用于spad器件淬灭整形的电路，其特征在于，所述延迟反相器由p型晶体管pm2、pm3和n型晶体管nm3构成，主动淬灭电路产生的高电平信号输入晶体管pm3和nm3相连的栅端，会在晶体管pm3和nm3相连的漏端产生一个与原信号有一定时间延迟的低电平信号。
4.根据权利要求1所述的一种用于spad器件淬灭整形的电路，其特征在于，所述或非门由p型晶体管pm4、pm5和n型晶体管nm4、nm5构成，晶体管pm4和nm5相连的栅端为第一输入端，晶体管pm5和nm4相连的栅端为第二输入端，晶体管pm5、nm4和nm5相连的漏端为输出端...
【专利技术属性】
技术研发人员：闫锋，杨婷，王一鸣，吴天泽，蒋骏杰，蔡梦瑶，杨思千，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：
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