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随着单光子探测技术应用范围的不断扩展,对其核心部件--光电探测器提出了更高要求。传统的PMT、APD等光电器件已无法满足精确探测仅几个光子量级的微弱光以及皮秒量级的时间分辨率等要求。鉴于此,研究人员提出了一种工作在盖革模式下的APD,称为单光子雪崩二极管（SPAD）,它具有内部增益大、灵敏度高和噪声低等优点,且CMOS工艺制备的SPAD器件克服了与CMOS电路难兼容以及价格昂贵等难题,有利于大规模制造与应用,因此对于CMOS SPAD的研究具有非常重要的意义。本文基于0.18μm CMOS工艺设计出一种p+/n-well/p-sub平面结构的SPAD器件,并带有p阱保护环结构。其中,p+/n-well结是雪崩区,用作光电转化;n-well是主要的光吸收区域;采用p衬底有利于集成;p阱保护环则用于抑制边缘提前击穿。由于p+/n-well/p-sub结构的SPAD器件存在对长波长探测效率较低、暗计数率较高等问题,在此结构基础上对其进行优化设计。第一、在p+/n-well结中间增加一层p-well结构,使p-well/n-well结成为雪崩结,不仅增加了雪崩结结深,有利于提高长波长光的探测效率,还使倍增区电场减少,同时降低雪崩击穿电压和暗计数率噪声;第二、引进深n阱结构,增加光吸收区域有利于提高探测效率;第三、采用p-sub虚拟保护环结构抑制边缘提前击穿现象,从而设计出了一种优化型p+/p-well/n-well/DNW/p-sub型SPAD结构。同时探讨不同深n阱浓度对I-V特性的影响,不同光窗口面积对探测效率的影响,不同偏置电压对暗计数率的影响等。对所设计的p+/n-well/p-sub型SPAD器件结构进行仿真分析,结果表明:在环境温度300k,光窗口长度为20μm时,击穿电压为-22.0V,响应度波长范围在300nm-600nm之间效果较好,过偏压1V时,在波长420nm处最大探测效率为30%,暗计数率为28.3kHz。对所设计的p+/p-well/n-well/DNW/p-sub型SPAD器件优化结构进行仿真分析,结果表明:在环境温度300k时,深n阱浓度在2.0×1016cm-3时I-V曲线最为陡峭,p-sub虚拟保护环宽度在1.0μm时器件击穿特性最好,光窗口面积对击穿电压大小影响甚微,但面积越大暗电流越高,同时探测效率也有所增加,折中决定光窗口长度为20μm。得到雪崩击穿电压为-12.0V,在波长300nm-800nm之间响应度均高于0.2A/W,在550nm处响应度最高达0.45A/W。过偏压2V时,探测效率峰值为55%,暗计数率约为16.5kHz,与第一种器件结构相比参数性能都有所改善。由于SPAD器件触发的雪崩不会自动淬灭,于是本文详细分析了三种常用的外围淬灭电路,并对无源淬灭电路进行设计,结合SPAD器件等效电路模型,利用cadence软件瞬态仿真得到死时间为20ns。又由于淬灭电路输出的是离散脉冲信号,还对外围计数电路进行设计分析,所得到的外围数字计数电路频率为500MHz,满足单光子雪崩脉冲计数要求。