CN107024288A - 一种应用于单光子探测器的淬灭和限流电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种应用于单光子探测器的淬灭和限流电路，包括应用于单光子雪崩二极管(SPAD)的淬灭电路和限流电路。该电路通过限制雪崩二极管的雪崩电流，有效的减小工作电流，降低功耗，并且能够快速抑制二极管的雪崩效应，减小死区时间，提高工作速度。该电路架构简单，利用少量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）实现电路的全部功能，有效减小电路所占面积，并且工作电流得到有效限制，有利于实现单光子雪崩二极管的大规模集成。
Description
技术领域
本发明是一种应用于单光子探测器的淬灭和限流电路，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，并对雪崩电流进行有效的限流，有效降低功耗。整体的淬灭和限流电路架构简单，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，就以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。
此外，由于单光子雪崩二极管每次探测到一个光子信号是，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淬灭和限流电路，在实现对探测器雪崩现象的快速淬灭的同时，有效的限制了雪崩电流的大小，极大的降低了电路的功耗。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淬灭和限流电路，用于单光子雪崩二极管雪崩现象的抑制和对雪崩电流的限流。如图4所示，其基本电路结构构成为：单光子雪崩二极管（SPAD）的阳极施加一个固定电压Vap，此固定电压比二极管雪崩击穿电压稍低。SPAD的阴极与一个PMOSFET管M2的源极相连。两个PMOSFET管M1和M2组合一个电流镜，电阻Rs用于对电流镜进行限流。M1和M2的漏极接电压VDD。SPAD的阴极与一个反相器组连接，反相器组对脉冲信号进行调制输出，并作为整个电路的缓冲。
本发明所述的应用于单光子探测器的淬灭和限流电路，相对于已有的各种电路技术，主要的有益效果是：（1）雪崩电流得到有效的限制，降低器件功耗；（2）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；（3）淬灭时间短，工作速度快；（4）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淬灭和限流电路；
图5时本发明电路构成的一个阵列示意图。
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淬灭和限流电路的电路结构图，所述的淬灭和限流电路的具体构成是：单光子雪崩二极管（SPAD）的阳极施加一个固定电压Vap，此固定电压比二极管雪崩击穿电压稍低。SPAD的阴极与一个PMOSFET管M2的源极相连。两个PMOSFET管M1和M2组合一个电流镜，电阻Rs用于对电流镜进行限流，确保整个电路的工作电流上限。M1和M2的漏极接电压VDD。SPAD的阴极与一个反相器组连接，反相器组对脉冲信号进行调制并输出，并作为整个电路的缓冲。
所述的应用于单光子探测器的淬灭和限流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，此电压比二极管击穿电压低，M1和M2的漏极连接一个正电压源VDD。在没有光子信号入射时，M2管上压降为零，SPAD阴极电压Vx等于VDD，此时SPAD两端电压差为
Vspad=VDD－Vap
(1)
此电压比SPAD的雪崩击穿电压高，此时SPAD处于盖革工作模式。当有光子入射时，SPAD发生雪崩效应，此时M2管上产生压降，SPAD阴极电压Vx将小于VDD，从而SPAD两端电压差下降至击穿电压以下，雪崩现象得到抑制。电路电流减小为零，M2管压降为零，SPAD阴极电压Vx恢复至VDD，整个电路复位至初始状态，等待下一次探测。
整个过程中的电流限制在M1和M2组成的电流镜电流之内，电流镜电流由电阻Rs限制，通过设置Rs阻值大小，可以有效控制整个电路的工作电流，从而达到最优工作状态，减小电路功耗。
如图5所示，所述的淬灭和限流电路易于构成大规模探测器阵列，类似于成熟的CMOS APS成像阵列架构，采用共输出线BL结构，每行增加一个MOSFET作为行选择管，实现同行同步读取。
Claims (3)
1.一种应用于单光子探测器的淬灭和限流电路，所述的淬灭和限流电路的特征是：单光子雪崩二极管（SPAD）的阳极施加一个固定电压Vap，此固定电压比二极管雪崩击穿电压稍低，SPAD的阴极与一个PMOSFET管M2的源极相连，两个PMOSFET管M1和M2组合一个电流镜，电阻Rs用于对电流镜进行限流，确保整个电路的工作电流上限，M1和M2的漏极接电压VDD，SPAD的阴极与一个反相器组连接，反相器组对脉冲信号进行调制并输出，并作为整个电路的缓冲。
2.根据权利要求1所述的淬灭和限流电路，其特征在于，SPAD的阳极施加一个负电压Vap，此电压比二极管击穿电压低，M1和M2的漏极连接一个正电压源VDD，
在没有光子信号入射时，M2管上压降为零，SPAD阴极电压Vx等于VDD，此时SPAD两端电压差为：
Vspad=VDD－Vap
此电压比SPAD的雪崩击穿电压高，此时SPAD处于盖革工作模式；当有光子入射时，SPAD发生雪崩效应，此时M2管上产生压降，SPAD阴极电压Vx将小于VDD，从而SPAD两端电压差下降至击穿电压以下，雪崩现象得到抑制，电路电流减小为零，M2管压降为零，SPAD阴极电压Vx恢复至VDD，整个电路复位至初始状态，等待下一次探测。
3.根据权利要求1和2所述的限流电阻Rs特征是，阻值根据需要可调整，改变Rs阻值实现电路工作电流大小的调制。
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