CN107024286A - 应用于单光子探测器的控制电路与阵列架构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种应用于单光子探测器的控制电路与阵列架构，包括应用于单光子雪崩二极管(SPAD)的控制电路和阵列架构。所发明的控制电路通过对单光子雪崩二极管两端电压进行充放电调制以及电压比较，实现单光子雪崩二极管的复位、淬灭以及信号读出。该电路构成的阵列架构简单，工作速度快，探测周期可调，有效减小探测器面积，有利于实现单光子雪崩二极管探测器阵列的大规模集成。
Description
技术领域
本发明是一种应用于单光子探测器的控制电路和阵列架构，该控制电路能够快速实现对单光子雪崩二极管雪崩现象的淬灭，复位以及信号的读出，并且探测周期可调。整体的控制电路以及该电路所构成的阵列架构简单，集成度高，与标准集成电路工艺完全兼容，可实现大规模成像探测阵列。
背景技术
单光子雪崩二极管（SPAD）自从被提出以来，因其极快的响应速度和极高的灵敏度等特性，成为弱光探测和高速成像研究领域的一个热点技术。单光子雪崩二极管的简单结构实际上就是一个二极管，如图1所示，其工作电压在二极管PN结反向击穿电压以上，即盖革模式，所以器件中耗尽层电场很高，这个高电场足以使其中的载流子获得足够的能量，通过碰撞离化效应发生雪崩现象，产生一个大电流，从而将一个载流子放大到一个可观测的大电流。在盖革模式下，入射光进入耗尽区后，光子被半导体吸收，产生一个电子空穴对。电子和空穴在耗尽区强电场作用下加速获得足够的能量并与晶格碰撞产生另一对电子空穴对，如此反复进行下去，形成一个连锁反应，最终结果是将一个光子产生的电子空穴对放大到大量的电子空穴对，构成一个可观测的光电流，这就是PN结的雪崩现象。
单光子雪崩二极管在产生雪崩效应后，如果不进行遏制，二极管长时间处于大电流状态，容易烧毁器件，并且无法进行下一次探测。因此，需要额外的电路将这个大电流抑制下去，这就是淬灭电路的作用。有了淬灭电路的存在，盖革模式下的二极管探测光信号就会表现出一个个电流脉冲，在没有暗噪声的情况下，一个脉冲电流就代表一个光子信号。如果要进行高速的探测，就要求每一个电流脉冲的时间越短越好，这个脉冲时间主要就是由淬灭电路决定，因此，为了使单光子雪崩二极管工作速度快，淬灭电路就需要特别的设计。
传统的淬灭电路分为主动式和被动式两种。被动模式的淬灭电路是在雪崩二极管上串联一个大电阻，如图2所示，通过串联分压的原理，在二极管雪崩状态下，雪崩电流在大电阻上产生一个电压降，使得二极管两端的电压降低至雪崩击穿电压以下，从而使雪崩现象停止。当电流逐渐减小时，大电阻两端的电压减小，而二极管两端的电压就逐渐恢复至初始状态，重新进行下一次探测。被动模式淬灭电路设计简单，但是淬灭和恢复时间较长，不利于高速探测的应用。在现代技术中，主动模式淬灭电路已经成为主要应用，其特点是淬灭和恢复时间比被动模式快，而且可控。图3所示为一种传统的主动模式淬灭电路，其设计相对复杂，而且由于电路占用更多的面积，导致探测器的占空比难以提高。
此外，由于单光子雪崩二极管每次探测到一个光子信号时，都将发生雪崩效应，雪崩电流瞬间达到毫安级别，如果大规模的单光子雪崩二极管阵列同时工作，电流将非常巨大，产生的功耗也将随着阵列规模上升而急剧上升，不利于大规模阵列设计。
本发明提出的一种应用于单光子探测器的控制电路和阵列架构，可实现对探测器雪崩现象的快速淬灭、复位以及信号读取，且探测周期可根据需要调整。整体电路架构简单，大幅度提高探测器占空比，易于探测器的大规模集成。本发明的控制电路有效解决了现有技术中存在的问题和难点。
发明内容
本发明提出的一种应用于单光子探测器的控制电路和阵列架构，用于对单光子雪崩二极管的雪崩现象的淬灭、复位和信号的读取。如图4所示，其基本的控制电路组成为：单光子雪崩二极管（SPAD）的阳极施加一个固定负电压Vap，此固定负电压绝对值比二极管雪崩电压稍低。SPAD的阴极与一个二选一的开关相连，二选一开关可对电源电压VDD和一个电压比较器输入端进行二选一的选择，开关选择通过外部时序进行控制。电压比较器的参考电压Vref可由实际需要设定为一固定数值，电压比较器输出端根据输入端的电压比较判定结果输出信号。
本发明所述的应用于单光子探测器的控制电路和阵列架构，相对于已有的各种电路技术，主要的有益效果是：（1）电路结构简单，电路部分占用面积小，有利于提高整个探测器的占空比；（2）淬灭时间短，工作速度快，探测周期可根据需要进行调整；（3）便于探测器的大规模集成。
附图说明
现将参照以下附图具体详细的说明本发明的主题，并清楚地理解本发明的有关电路结构和工作模式以及其目的、特征和优势：
图1是标准的单光子雪崩二极管（SPAD）的基本结构示意图；
图2是传统的被动淬灭电路结构示意图；
图3是传统的主动淬灭电路结构示意图；
图4是本发明的应用于单光子探测器的控制电路结构示意图；
图5是本发明的控制电路的工作过程示意图；
图6是本发明的应用于单光子探测器的阵列架构示意图；
图7是本发明阵列架构的工作时序图。
具体实施方式
在以下的详细说明中，将结合附图及实施例对本发明的工作原理和工作过程进行全面的理解。理解如果将各个晶体管的类型对换（即N型晶体管替换为P型晶体管），而操作电压进行适当的相反，则其不超过本发明的核心内涵。
图4为本发明的应用于单光子探测器的控制电路结构图，所述的控制电路具体构成是：单光子雪崩二极管（SPAD）的阳极施加一个固定负电压Vap，此固定负电压绝对值比二极管雪崩电压稍低。SPAD的阴极与一个二选一的开关相连，二选一开关可对电源电压VDD和一个电压比较器输入端进行二选一的选择，开关选择通过外部时序进行控制。电压比较器的参考电压Vref可由实际需要设定为一固定数值，电压比较器输出端根据输入端的电压比较判定结果输出信号。
所述的应用于单光子探测器的控制电路的工作原理和工作过程如下：
电路开始工作时，SPAD的阳极施加一个负电压Vap，此电压的绝对值稍低于二极管击穿电压。电压比较器参考电压Vref设置为VDD/2。如图5（a）所示，二选一开关选择固定电源端VDD，电路对SPAD进行充电，SPAD阴极电位上升至VDD，此时SPAD两端电压差为（VDD+Vap），此电压值高于二极管击穿电压，此时SPAD处于盖革工作模式。此时断开二选一开关，SPAD进行光子探测。之后二选一开关接通电压比较器输入端，如图5（b）所示。电压比较器进行如下判定：（1）如果有光子入射，SPAD发生雪崩效应，SPAD通过雪崩电流进行放电，阴极端电位下降。此时阴极端电位与电压比较器参考电压Vref进行比较，如果低于Vref，则说明SPAD有放电过程，表示SPAD探测到一个光子信号，电压比较器输出一个脉冲电压信号。（2）如果没有光子入射，则SPAD阴极电位基本保持不变，此时阴极电位高于电压比较器的参考电压Vref，电压比较器不输出信号。
通过以上过程，SPAD完成一个探测周期。此时二选一开关选择固定电压端，对SPAD进行充电，从而进入下一个探测周期。
整个探测过程中，二选一开关的选择由外部时序控制，此时序可根据需要进行设定调制，从而可实现对SPAD探测周期的调制。
图6所示为应用本发明控制电路所设计的单光子探测器阵列架构示意图，其中二选一开关功能通过两个MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管，即金氧半场效晶体管Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）晶体管开关特性实现，其他方式实现二选一开关功能不超出本发明的保护范围。阵列时序S1、S2如图7所示。
Claims (3)
1.应用于单光子探测器的控制电路和阵列架构，所述的控制电路特征是：单光子雪崩二极管（SPAD）的阳极施加一个固定负电压Vap，此固定负电压绝对值比二极管雪崩电压稍低，
SPAD的阴极与一个二选一的开关相连，二选一开关可对电源电压VDD和一个电压比较器输入端进行二选一的选择，开关选择通过外部时序进行控制，电压比较器的参考电压Vref可由实际需要设定为一固定数值，电压比较器输出端根据输入端的电压比较判定结果输出信号。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其工作过程如下：
电路开始工作时，SPAD的阳极施加一个负电压Vap，此电压的绝对值稍低于二极管击穿电压，电压比较器参考电压Vref设置为VDD/2，如图5（a）所示，二选一开关选择固定电源端VDD，电路对SPAD进行充电，SPAD阴极电位上升至VDD，此时SPAD两端电压差为（VDD+Vap），此电压值高于二极管击穿电压，此时SPAD处于盖革工作模式，此时断开二选一开关，SPAD进行光子探测，之后二选一开关接通电压比较器输入端，如图5（b）所示，电压比较器进行如下判定：（1）如果有光子入射，SPAD发生雪崩效应，SPAD通过雪崩电流进行放电，阴极端电位下降，此时阴极端电位与电压比较器参考电压Vref进行比较，如果低于Vref，则说明SPAD有放电过程，表示SPAD探测到一个光子信号，电压比较器输出一个脉冲电压信号；
（2）如果没有光子入射，则SPAD阴极电位基本保持不变，此时阴极电位高于电压比较器的参考电压Vref，电压比较器不输出信号；
通过以上过程，SPAD完成一个探测周期，此时二选一开关选择固定电压端，对SPAD进行充电，从而进入下一个探测周期。
3.根据权利要求1和2所述的控制电路，其中二选一开关时序可调。
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