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单光子雪崩二极管(SPAD,Single Photon Avalanche Diode)具有响应度快、雪崩增益大、探测效率高、功耗低等特点,由它组成的SPAD探测器具有探测单个光子的能力,因此被应用在当今很多领域并受到国内外广大研究者们的关注。随着单光子探测技术的不断进步,人们对SPAD探测器性能的要求也越来越高,结合深亚微米(DSM,Deep Submicron)CMOS技术得到一个器件性能好、噪声小、芯片集成度高的单光子雪崩二极管探测器是研究者们共同的目标。SPAD探测器像素单元由三部分构成,SPAD器件、淬灭复位电路、计数电路。本文从高性能SPAD器件和高SPAD像素单元填充系数两方面出发,设计了一个SPAD探测器像素单元,具体研究内容主要分为三大部分。首先,对暗计数率(DCR,dark count rate)机理的研究,提出一种能分别计算暗计数各产生机制具体值的暗计数计算模型。本文基于深亚微米CMOS技术对暗计数的产生机理做了深入的研究和分析,提出了基于遂穿效应和载流子热激发的暗计数计算模型,该模型的创新在于能分别计算出各暗计数产生机制的具体大小。暗计数的产生机制主要分为三个方面:热激发、缺陷辅助遂穿(TAT)、带-带遂穿(BTBT);暗计数计算模型的计算结果表明陷阱辅助遂穿是产生暗计数的主要来源,随着雪崩区掺杂浓度的增加,带-带遂穿将逐渐成为影响暗计数的主要机制。其次,对SPAD器件结构的研究,提出一种高光子探测效率的埋层保护环SPAD结构。光子探测效率(PDE,Photon Detection Effciency)是SPAD器件的一个重要性能参数,本文基于0.18μm CMOS工艺设计了一种高光子探测效率的埋层保护环SPAD器件,该SPAD器件采用一种环绕式P-注入加P埋层和P+埋层保护环的深P阱的SPAD结构,首次利用埋层结构防止边缘击穿,以增大雪崩区面积,提高SPAD器件的光子探测效率。计算结果表明,该结构的PDE最大可达到34%,且在室温3V过偏压下,DCR低于87Hz。最后,对外围电路的设计,提出一种结构简单、性能良好、版图面积小的淬灭/复位电路和计数电路。本文基于SMIC 0.18μm工艺库,设计了一个主动淬灭/复位电路和一个模拟计数电路。淬灭/复位电路结构简单,能实现主动淬灭和复位的功能;计数电路可实现线性计数,得到约9.5比特的线性计数范围;计数电路的创新在于用MOS管的电容接法代替传统的普通计数电容,成功将计数电路的版图面积降低至16μm×14μm,同等计数范围条件下比数字计数电路的版图面积小10倍左右,比普通模拟计数电路电路的版图面积缩小约2倍,由该计数电路组成的SPAD像素单元的填充率约为60%。