光在极其微弱时会离散成一个个的光子,称为单光子。单光子信号由于强度微弱且粒子性显著,常规技术难以对其检测,被认为是光电探测技术的极限。同时单光子信号又是一种普遍存在的信息载体,在日常生活、工业生产、科学研究以及国防军事等各方面都有着广泛应用,因而近年来受到研究人员重视。单光子探测技术主要体现在以下几方面:有极高增益的单光子探测器件,控制单光子探测器件并对信号进行处理的快速电路,器件和电路的集成技术,大规模像元阵列的制作及拼接。目前在单光子探测方面亟待解决的问题有:单光子探测器工艺复杂、工作电压高、价格昂贵、重复性差,外围电路响应速度慢、版图面积大,对单光子探测器和相关电路的混合拼接易导致性能下降、噪声变大。为解决上述问题,本文在中央高校基本业务费资助项目(NO.12120001)支持下,对单光子探测技术进行了研究。文章选用实验室设计的带保护环结构的CMOS工艺兼容的雪崩光电二极管作为单光子探测器件,对雪崩光电二极管的工作原理和相关参数进行了介绍。用等效电路模型代替雪崩光电二极管在软件中进行仿真,分析比较了雪崩光电二极管的三种淬灭模式,选择主动淬灭电路控制雪崩光电二极管,用高速电压比较电路作为雪崩信号甄别电路,设计了数字和模拟结构的计数电路。在此基础上完成了单光子探测像元电路,包括雪崩光电二极管等效电路、淬灭复位电路、雪崩信号甄别电路、光子计数电路等。仿真结果显示电路探测速度可达5ns,淬灭电路死时间约2.690ns,从光子信号进入到计数完成整体电路传输延时约3.0572ns,计数电路在线性模式下的计数容量为55。此外,还对时间相关单光子计数的原理和基本电路结构进行介绍,用高速电压比较电路进行光子到达定时,阐述几种时间数字转化技术,设计了基于S-R锁存器的时间放大电路和基于电流偏置比例的时间放大电路。