【摘 要】
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单光子探测是一种超灵敏的光信号检测技术,在空间激光通信、激光三维成像及天文观测等领域具有广阔的应用前景,是世界各国争相发展的前沿技术之一。尤其在近红外波段,因其具有人眼安全、夜晚环境适应性强等诸多优点,因而受到了极大关注。InGaAs/In P SPAD（Single Photon Avalanche diode）具有集成度高、响应速度快、无需超低温制冷等优点,因而成为近红外波段最实用的单光子探测
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单光子探测是一种超灵敏的光信号检测技术,在空间激光通信、激光三维成像及天文观测等领域具有广阔的应用前景,是世界各国争相发展的前沿技术之一。尤其在近红外波段,因其具有人眼安全、夜晚环境适应性强等诸多优点,因而受到了极大关注。InGaAs/In P SPAD（Single Photon Avalanche diode）具有集成度高、响应速度快、无需超低温制冷等优点,因而成为近红外波段最实用的单光子探测器件。在实际应用中,SPAD探测器阵列需要CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）外围电路控制和放大信号,才能实现微弱光子的探测。然而,目前CMOS工艺厂商并不提供SPAD电路仿真模型,在SPAD器件与外围电路协同仿真方面存在较大困难,难以实现单光子探测器系统的整体优化。针对上述问题,本文以InGaAs/In P SPAD为研究对象,开展了SPAD器件的理论分析与电路模型方面的研究工作。为了验证SPAD模型在单光子探测中的实际应用,本文还设计了一款用于近景3D成像的单光子探测像素电路,具体研究工作如下:1、基于器件工作原理,深入研究了影响SPAD光子探测效率、初级暗计数率和后脉冲的物理机制。采用商用器件仿真工具Silvaco TCAD提取了器件的电场分布、雪崩触发概率和碰撞电离率等关键参数,利用MATLAB计算了SPAD的光子探测效率、初级暗计数率和后脉冲触发概率,并将计算结果与文献报道的实验结果进行了对比分析。2、在理论分析的基础上,采用Verilog-A硬件描述语言搭建了InGaAs/In P SPAD的电路仿真模型。该模型不仅包括器件的电流-电压特性,而且考虑了光子探测效率、初级暗计数率和后脉冲等统计特性。在Cadence仿真平台上搭建了门控淬灭复位电路,完成了SPAD电路模型的统计行为验证。结果表明,模型仿真结果与实测结果吻合较好,当温度为225K,过偏压为3V时,初级暗计数率的最大相对误差为11.2%。3、为了验证模型的实用性,结合SPAD电路模型、淬灭复位电路和时间数字转换器,设计了一种用于近景3D成像的像素电路。仿真结果表明,所设计像素电路的微分非线性和积分非线性分别±0.41LSB和±0.42LSB,像素可探测的最大距离为0.96m,测量精度为3cm,说明本文所构建的SPAD电路模型可用于单光子探测系统的协同设计与优化。
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