论文部分内容阅读
单光子雪崩二极管（SPAD）以其雪崩增益大、响应速度快、探测效率高、体积小、质量轻、功耗低等特点成为制作单光子探测器的最佳器件，阵列集成的SPAD探测器，还能够获得光子信号的时间和空间信息，因而在弱光信号检测领域得到了广泛的应用。该技术的发展难点在于如何降低SPAD阵列的面积，本文针对该问题进行了深入的研究。第一，传统技术中一般采用大尺寸的SPAD，其有源区直径在15μm~30μm之间，本文基于SMIC0.13μm CMOS工艺中的深n阱技术和浅沟槽隔离（STI）技术设计了两种适宜小尺寸的SPAD结构，仿真结果和实测结果都证明这种小尺寸的SPAD能够满足暗计数少和边缘电场低的要求。第二，为SPAD建立了一个EDA模型，目的是为了能够与淬灭和读出电路进行混合仿真，提高电路设计的准确性。该模型用模拟硬件描述语言Verilog-A实现，描述了盖革模式下的电流电压特性，增加了后脉冲、暗计数和温度效应等基本功能，其SPECTRE仿真结果与器件的实测结果基本一致。第三，设计了一种结构紧凑的淬灭和读出电路，能够达到高速响应的要求。传统方案一般采用大尺寸的MOS管或高值电阻提高淬灭速度，像素单元几乎都采用数字读出方式，需要用到8位以上的高速计数器和锁存器等，面积过大。本文设计的主动式淬灭电路中只用了5个小尺寸的MOS管，将死时间降低到6个ns，采用电容计数的模拟读出方式，不仅大大降低了像素单元的面积，还提供了线性和对数两种计数方式。最后，利用空间嵌入提出了一种基于小规模电路的阵列版图方案，一个4×4阵列的面积约为200μm×220μm，芯片的空间利用率最高可达82.98%。