CN107024287A - 一种应用于单光子探测器的门控电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于单光子探测器的门控电路，包括应用于单光子雪崩二极管(SPAD)的淬灭、复位与读取电路。该电路采用一种全新的主动淬灭与复位技术，通过设定施加于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,以下简称MOSFET）栅极上的电压的周期性来控制单光子雪崩二极管的光子探测、淬灭、复位与读取周期。改电路采用少量MOSFET实现单光子雪崩探测器的全部工作过程，且探测周期可根据需要调整，极大的简化了单光子探测器主动淬灭与复位电路的复杂性，有利于实现单光子雪崩二极管的大规模集成，实现单光子级灵敏度的成像阵列。

Description

一种应用于单光子探测器的门控电路

技术领域

本发明是一种应用于单光子探测器的门控电路，该电路能够快速实现对单光子雪崩二极管雪崩现象的淬灭、复位以及信号的读取，并且可实现单个探测周期的自由调整。整体的门控电路简单，集成度高，可直接应用于标准的CMOS工艺，实现探测系统的高度集成化和小型化，有效降低成本。

背景技术

单光子雪崩二极管作为具有单光子灵敏度的光探测器件，自其被发明以来，迅速被应用于各种领域。单光子雪崩二极管的两大突出优点，极快的响应速度和极高的探测灵敏度，使其尤其适用于微弱光探测和高速成像领域。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所决定，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，从而影响其探测效率及生产成本。

本发明提出的一种应用于单光子雪崩探测器的门控电路，其雪崩淬灭和复位采用门控电路，通过门控信号控制淬灭与复位的信号周期，确保探测器的淬灭与复位周期可调，从而实现探测周期的可控。该门控电路极大的简化了电力路的设计复杂性，使电路所占面积大幅度缩小，提高探测器占空比，有利于探测器的大规模集成，解决了现有技术中存在的问题和难点。

发明内容

本发明提供了一种应用于单光子雪崩探测器的门控电路，用于单光子雪崩二极管探测光子信息并进行探测光子数计数，包含雪崩淬灭和复位门控电路，以及信号读取门控电路。如图4，其基本电路结构构成如下：单光子雪崩二极管（SPAD）的阴极施加一个工作电压V_ap，其大小为二极管的雪崩电压值V_BD加上一个额外的电压V_ex，使得SPAD处于盖格工作模式下。SPAD的阳极与一个读取电容C_read和以及三个MOS管M1、M2、M3的源极相连。读取电容C_read用于储存电荷信号，M1管为淬灭管，其漏极连接电源信号VDD，栅极施加一个周期可控的门控信号电压V_Q。M2管为复位管，其漏极接地，栅极施加一个周期可控的门控信号电压V_R。M3为读取管，其漏极与一个计数器相连，作为计数器的输入开关。

本发明所述的应用于单光子探测器的门控电路，相对于现有的各种电路技术，主要的有益效果是：（1）响应速度快，探测周期可控；（2）电路结构简单，占用面积小，有利于提高整体探测器的占空比；（3）有利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是被动淬灭电路结构示意图；

图3是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门控电路示意图；

图5是本发明的电路工作电压时序图。

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。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是本发明的应用于单光子探测器的门控电路的结构示意图，所述的门控电路的具体构成是：单光子雪崩二极管（SPAD）的阴极施加一个工作电压V_ap，其大小为二极管的雪崩电压值V_BD加上一个额外的电压V_ex，使得SPAD处于盖格工作模式下。SPAD的阳极与一个读取电容C_read和以及三个MOS管M1、M2、M3的源极相连。读取电容C_read用于储存电荷信号，M1管为淬灭管，其漏极连接电源信号VDD，栅极施加一个周期可控的门控信号电压V_Q。M2管为复位管，其漏极接地，栅极施加一个周期可控的门控信号电压V_R。M3为读取管，其漏极与一个计数器相连，作为计数器的输入开关。

所述的应用于单光子探测器的门控电路的工作原理和工作过程如下：如图5所示，雪崩二极管的阴极施加一个正电压V_ap，此电压比二极管PN结的击穿电压V_BD高出V_ex，使SPAD工作在盖革模式下。SPAD阳极连接一个读取电容，以及N型MOS管M1、M2、M3的源极。MOS管M1、M2、M3的栅极分别施加一个可调周期的门控信号电压。

电路工作过程如下：光子信号探测与读取：电路开始工作时，M1和M2管栅极电压V_Q、V_R处于低电平状态，M1和M2管关断。M3管栅极电压V_G处于高电平状态，M3管开启。当SPAD探测到一个光子信号时，PN结在盖革模式下发生雪崩，产生一个雪崩电流，对读取电容C_read进行充电，C_read电压上升，产生一个脉冲信号电压。脉冲信号电压通过开启的读取管M3传至计数器中，计数器翻转，数值加一，从而记录此时有一个光子信号到达SPAD表面。

淬灭阶段：计数器翻转后，M3管栅极电压变为低电平，M3管关断。M1管栅极电压变为高电平，M1管开启，此时电压信号VDD通过M1传入到SPAD的阳极，使阳极电压上升，进而使SPAD两段电压差下降至PN结击穿电压以下，将雪崩现象淬灭，SPAD处于停止工作状态。

复位阶段：M1与M3管栅极电压处于低电平，M1与M3管关断。M2管栅极电压处于高电平，M2管导通，此时读取电容C_read两端接地，电容放电，使得SPAD阳极电位恢复至0电位，SPAD两端电压差恢复至初始V_BD＋V_ex，进入盖革工作模式，进行下一个光子的探测。

所述的门控电路的工作周期可以通过改变M1、M2、M3管的栅极门控电压信号的周期来调节，从而正确探测入射光子信号，并且有利于消除SPAD的后脉冲等负面效应。

Claims (2)

1.一种应用于单光子探测器的门控电路，所述的门控电路的特征是：单光子雪崩二极管（SPAD）的阴极施加工作电压V_ap， SPAD的阳极与一个读取电容C_read和以及三个MOS管M1、M2、M3的源极相连，读取电容C_read用于储存电荷信号，M1管为淬灭管，其漏极连接电源信号VDD，栅极施加一个周期可控的门控信号电压V_Q，M2管为复位管，其漏极接地，栅极施加一个周期可控的门控信号电压V_R，M3为读取管，其漏极与一个计数器相连，作为计数器的输入开关。

2.根据权利要求1所述的门控电路，其特征在于，雪崩二极管的阴极施加一个正电压V_ap，此电压比二极管PN结的击穿电压V_BD高出V_ex，使SPAD工作在盖革模式下，SPAD阳极连接一个读取电容，以及N型MOS管M1、M2、M3的源极，MOS管M1、M2、M3的栅极分别施加一个可调周期的门控信号电压，所述门控电路工作如下：

光子信号探测与读取：电路开始工作时，M1和M2管栅极电压V_Q、V_R处于低电平状态，M1和M2管关断，M3管栅极电压V_G处于高电平状态，M3管开启，当SPAD探测到一个光子信号时，PN结在盖革模式下发生雪崩，产生一个雪崩电流，对读取电容C_read进行充电，C_read电压上升，产生一个脉冲信号电压，脉冲信号电压通过开启的读取管M3传入至计数器中，计数器翻转，数值加一，从而记录此时有一个光子信号到达SPAD表面。