CN111244192A - Spad的控制电路、距离感应器模组及移动终端 - Google Patents

Spad的控制电路、距离感应器模组及移动终端 Download PDF

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Abstract

本公开是关于一种SPAD的控制电路、距离感应器模组及移动终端，属于半导体光电技术领域。所述控制电路包括：依次串联的分压电阻、SPAD和采样电阻；分压电阻的第一端与电源耦合；分压电阻的第二端与SPAD的阴极耦合；SPAD的阳极与采样电阻的第一端耦合；采样电阻的第二端接地；采样电阻的第一端与控制电路的输出端耦合。本公开通过设置一种SPAD的控制电路，包括分压电阻、SPAD和采样电阻。分压电阻用于分压和限流，实现淬灭作用；采样电阻用来输出脉冲电压作为雪崩信号。该电路控制SPAD两端的反向偏压先小于雪崩击穿电压，中断SPAD的雪崩过程，保护SPAD器件，然后再使得SPAD两端的反向偏压大于雪崩击穿电压，实现对后续光子的探测。

Description

SPAD的控制电路、距离感应器模组及移动终端
技术领域
本公开涉及半导体光电技术领域，特别涉及一种SPAD的控制电路、距离感应器模组及移动终端。
背景技术
诸如手机之类的移动终端上通常都配备有距离感应器，用于探测终端屏幕与前方障碍物之间的距离。距离感应器包括光发射器和光接收器。
在相关技术中，距离感应器的光接收器采用SPAD(Single Photon AvalancheDiode，单光子雪崩二极管)。SPAD是工作在盖革模式下的雪崩光电二极管。雪崩光电二极管有线性模式、盖革模式等不同工作模式。在线性模式下，雪崩光电二极管两端反向偏压增大，但仍小于雪崩击穿电压；在盖革模式下，雪崩光电二极管两端方向偏压大于雪崩击穿电压，该模式下反向偏压越高，雪崩电流增长越快，雪崩光电二极管可以在极短时间内对光子进行计数，实现单光子探测，即SPAD。
然而，SPAD在盖革模式时，只要SPAD的反向偏压大于雪崩击穿电压，雪崩就会继续，SPAD就无法探测后续光子，且持续的雪崩过程会损坏SPAD器件。
发明内容
本公开实施例提供了一种SPAD的控制电路、距离感应器模组及移动终端。所述技术方案如下：
根据本公开实施例的第一方面，提供了一种SPAD的控制电路，所述控制电路包括：依次串联的分压电阻、所述SPAD和采样电阻；
所述分压电阻的第一端与电源耦合；
所述分压电阻的第二端与所述SPAD的阴极耦合；
所述SPAD的阳极与所述采样电阻的第一端耦合；
所述采样电阻的第二端接地；
所述采样电阻的第一端与所述控制电路的输出端耦合。
可选地，所述控制电路包括如下工作阶段：准备阶段、雪崩发生和淬灭阶段、复位阶段；
在所述准备阶段中，所述SPAD两端的反向偏压等于所述电源电压，且大于所述SPAD的雪崩击穿电压；所述采样电阻两端的压降为零，所述控制电路的输出端无雪崩信号输出；
在所述雪崩发生和淬灭阶段中，光子射入所述SPAD，所述SPAD发生雪崩，所述控制电路中产生雪崩电流，所述控制电路的输出端输出所述雪崩信号；所述分压电阻两端的压降增大，所述SPAD两端的反向偏压减小，当所述SPAD两端的反向偏压小于所述SPAD的雪崩击穿电压时，所述雪崩电流开始淬灭；
在所述复位阶段中，所述雪崩电流完全淬灭后，所述控制电路中无所述雪崩电流，所述SPAD两端的反向偏压增大至所述电源电压。
可选地，所述SPAD的死时间小于8ps，所述死时间是指所述SPAD无法探测到光子的时间。
可选地，所述电源电压大于所述SPAD的雪崩击穿电压。
可选地，所述分压电阻的阻值大于100KΩ。
可选地，所述采样电阻的阻值小于100Ω。
根据本公开实施例的第二方面，提供了一种距离感应器模组，所述距离感应器模组包括如第一方面所述的SPAD的控制电路。
根据本公开实施例的第三方面，提供了一种移动终端，所述移动终端包括距离感应器模组，所述距离感应器模组包括如第一方面所述的SAPD的控制电路。
本公开实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
通过设置一种SPAD的控制电路，该控制电路包括依次串联的分压电阻、SPAD和采样电阻。分压电阻的阻值较大，用于分压和限流，使得SPAD发生雪崩后其两端反向偏压能迅速减小，实现淬灭作用；采样电阻阻值较小，用来输出脉冲电压作为雪崩信号。上述控制电路通过控制SPAD两端的反向偏压先小于雪崩击穿电压，中断SPAD的雪崩过程，保护SPAD器件，然后再使得SPAD两端的反向偏压大于雪崩击穿电压，实现对后续光子的探测。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种雪崩光电二极管的伏安特性曲线的示意图；
图2是根据一示例性实施例示出的一种SPAD的控制电路的示意图；
图3是根据一示例性实施例示出的一种SPAD的控制电路的等效电路的示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
移动终端中设置有距离感应器模组。距离感应器模组是用于测量自身与前方障碍物之间的距离的传感器模组。距离感应器模组包括光发射器和光接收器。光发射器用于发射光线，光接收器用于接收光线。可选地，距离感应器模组中的光发射器为VCSEL(VerticalCavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)，光接收器为SPAD。
雪崩光电二极管根据其偏压、增益大小不同，具有线性模式和盖革模式等不同的工作模式，其中盖革模式由于增益极高，常用作单光子探测，即SPAD。
如图1所示，其示出了雪崩光电二极管施加反向偏压时的伏安特性曲线的示意图。在光电二极管模式下，雪崩光电二极管两端施加较小的反向偏压，PN结耗尽层内电场很弱，不足以让光生载流子获得足够能量来与晶格发生碰撞电离，因而没有倍增效果，无光照时，雪崩光电二极管内仅存有很微弱的暗电流；有光照时，雪崩光电二极管存在微弱的原始光电流。在线性模式下，雪崩光电二极管两端的反向偏压增大，但仍然小于雪崩击穿电压，光生载流子受内电场作用与晶格发生碰撞电离，雪崩光电二极管获得较低且稳定的增益(典型值为10-1000)。在盖革模式下，雪崩光电二极管两端的反向偏压大于雪崩击穿电压Vbr，由于内电场极高，光生载流子获得极大的动能，碰撞电离持续发生而引发雪崩倍增效应，此时其增益理论上无穷大，单个光子便可使其达到饱和光电流，该模式反向偏压越高，雪崩电流增长越快，雪崩形成过程几乎是瞬间发生的，其在极短时间内对光子进行计数，雪崩光电二极管的盖革模式下的增益极高，能够实现单光子探测，即SPAD。
SPAD盖革模式时，其反向偏压大于雪崩击穿电压，光子射入时就会发生雪崩，雪崩电流达mA量级，只要反向偏压大于雪崩击穿电压，雪崩就会继续，SPAD就无法探测后续光子；另外，由于雪崩击穿是一个自我维持过程，如果不采取抑制措施，雪崩过程会持续到SPAD器件损坏。为了SPAD探测后续光子且使得SPAD器件处于正常状态，必须有一种能良好控制SPAD偏置状态的电路。
在本公开提供的技术方案中，通过设置一种SPAD的控制电路，该控制电路包括依次串联的分压电阻、SPAD和采样电阻。分压电阻的阻值较大，用于分压和限流，使得SPAD发生雪崩后其两端反向偏压能迅速减小，实现淬灭作用；采样电阻阻值较小，用来输出脉冲电压作为雪崩信号。上述控制电路通过控制SPAD两端的反向偏压先小于雪崩击穿电压，中断SPAD的雪崩过程，保护SPAD器件，然后再使得SPAD两端的反向偏压大于雪崩击穿电压，实现对后续光子的探测。
下面，将通过几个实施例，对本公开提供的技术方案进行介绍说明。
请参考图2，其示出了一种SPAD的控制电路的示意图，该控制电路可以包括：依次串联的分压电阻Rq、SPAD和采样电阻Rs。
分压电阻Rq的第一端与电源Vdd(如电源正极)耦合；分压电阻Rq的第二端与SPAD的阴极耦合；SPAD的阳极与采样电阻Rs的第一端耦合；采样电阻Rs的第二端接地(gnd)；采样电阻Rs的第一端与控制电路的输出端Vout耦合。
分压电阻Rq的阻值较大，可选地，分压电阻Rq的阻值大于100KΩ，可用于分压和限流，使得SPAD发生雪崩后其两端反向偏压能迅速减小，实现淬灭作用；采样电阻Rs的阻值较小，可选地，采样电阻Rs的阻值小于100Ω，可用于输出脉冲电压作为雪崩信号。
可选地，电源电压大于SPAD的雪崩击穿电压。
综上所述，本公开实施例提供的技术方案中，通过设置一种SPAD的控制电路，该控制电路包括依次串联的分压电阻、SPAD和采样电阻。分压电阻的阻值较大，用于分压和限流，使得SPAD发生雪崩后其两端反向偏压能迅速减小，实现淬灭作用；采样电阻阻值较小，用来输出脉冲电压作为雪崩信号。上述控制电路通过控制SPAD两端的反向偏压先小于雪崩击穿电压，中断SPAD的雪崩过程，保护SPAD器件，然后再使得SPAD两端的反向偏压大于雪崩击穿电压，实现对后续光子的探测。
为了更好的分析上述实施例所述的控制电路，可以将SPAD表示成由电阻和电容组成的简单电路模型。由此得出了如图3所示的一种SPAD的控制电路的等效电路的示意图。
图3中各电子器件符号的含义如下：Cd是SPAD的PN结耗尽层的结电容，Cp是SPAD的寄生电容，Rd是SPAD的等效电阻，Rq是分压电阻，Rs是采样电阻，RL与CL是输出端负载，电压源Vbreak与SPAD的雪崩击穿电压Vbr一致，VH是外加的电源。
SPAD是由P型半导体和N型半导体形成的一个PN结组成的半导体器件。在其界面两侧形成空间电荷区，并建有内电场，当不存在外加电压时，由于PN结两边载流子浓度差引起的扩散电流和内电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，此时空间电荷区的载流子数量非常少，因此空间电荷区又称为耗尽层。当PN结两侧外加有正向偏置电压(即P区接外加电源的正极，N区接外加电源的负极)时，外界电场和内电场的抵消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向偏置电压时，外界电场和内电场进一步加强，形成的反向电流。当反向偏置电压大于一定值(雪崩击穿电压)时，反向电流突然增大，出现雪崩电流，发生雪崩击穿。
结电容Cd是指由于SPAD的PN结耗尽层中载流子少，电阻大而表现出来的电容特征。
寄生电容Cp是指SPAD的引脚在高频情况下表现出来的电容特征。
可选地，该控制电路包括如下工作阶段：准备阶段、雪崩发生和淬灭阶段、复位阶段。
在准备阶段中，光子尚未进入电路，此时SPAD两端的反向偏压，即等效电阻Rd两端的电压等于电源VH的电压，且大于SPAD的雪崩击穿电压Vbr，SPAD处于准备接收光子的状态；寄生电容Cp和结电容Cd充满电荷，采样电阻Rs两端的电压为零，控制电路的输出端无雪崩信号输出。
在雪崩发生和淬灭阶段中，光子射入SPAD，SAPD发生雪崩，控制电路中产生雪崩电流，采样电阻Rs两端的电压不为零，控制电路的输出端输出雪崩信号；分压电阻Rq两端的电压增大，SPAD两端的反向偏压，即Rd两端的电压减小，当SPAD两端的反向偏压小于SPAD的雪崩击穿电压Vbr时，雪崩电流开始淬灭，PN结不再产生新的载流子，PN结中原有的载流子很快耗尽，电流迅速减小直至趋向于零。
在等效电路中，雪崩淬灭还表现在Cp、Cd通过Rq和Rd的并联放电，放电时间就是SPAD的雪崩淬灭时间。由于Rq的阻值远小于Rd的阻值，淬灭时间Tq可表示为：
Tq＝(Cp+Cd)*Rd；
在复位阶段中，雪崩电流完全淬灭后，控制电路中无雪崩电流，SPAD的反向偏压逐渐上升。电源VH对寄生电容Cp和结电容Cd充电，充电时间就是复位时间Tr，即：
Tr＝(Cp+Cd)*Rq；
SPAD两端的反向偏压增大至电源VH的电压，充电结束，进入下一个探测周期，SPAD又处于准备阶段，等待探测下一个光子。
从雪崩发生、淬灭到复位完成，在这过程中采样电阻RS上形成一个脉冲电压信号，将该信号提取后并处理，就可作为雪崩信号。在雪崩发生和淬灭阶段以及复位阶段，SPAD无法探测到光子发生雪崩，这段时间称为死时间Tdead。一般来讲有：
Tdead≥Tq+Tr＝(Cp+Cd)*Rd+(Cp+Cd)*Rq＝(Cp+Cd)*(Rd+Rq)；
死时间Tdead越小，探测脉冲信号的周期越短，接收脉冲信号的频率越高，从而单位时间内SPAD接收的光子能量越多，继而SPAD的探测灵敏度越高。
在本公开中，可以通过减小结电容Cd、寄生电容Cp、等效电阻Rd、分压电阻Rq中的一个或多个的取值来降低死时间Tdead。
可选地，SPAD的死时间Tdead小于8ps。以移动终端是手机为例，当用户在拨打电话时，人耳靠近手机屏幕的距离为小于等于1cm，则距离感应器发射光线至接收光线的过程中，光线所经过的路程为小于等于2cm，则SPAD接收到光线的时间为小于等于8ps。在实际应用中，根据距离感应器对于探测灵敏度的要求，优选死时间为满足上述要求的SPAD作为距离感应器的光接收器。
综上所述，本公开实施例提供的技术方案中，通过减小结电容Cd、寄生电容Cp、等效电阻Rd、分压电阻Rq中的一个或多个的取值来降低死时间Tdead，从而缩短探测脉冲信号的周期，提高接收脉冲信号的频率，从而使得单位时间内SPAD接收的光子能量越多，进而提高SPAD的探测灵敏度。
本公开还提供了一种距离感应器模组，该距离感应器模组包括如上述实施例所述的SPAD的控制电路。
距离感应器模组是用于测量自身与前方障碍物之间的距离的传感器模组。距离感应器模组包括：光发射器和光接收器。光发射器用于发射光线，光接收器用于接收光线。光接收器包括上文所述的一个或多个SPAD的控制电路。可选地，光接收器包括SPAD阵列，该SPAD阵列包括多个SPAD，这多个SPAD可以共用一个控制电路，也可以有各自的控制电路。可选地，距离感应器模组还包括控制IC(Integrated Circuit，集成电路)，该IC可用于控制光发射器和光接收器进行工作。
本公开还提供了一种移动终端，移动终端包括距离感应器模组，距离感应器模组包括如上述实施例所述的SPAD的控制电路。
移动终端通常是智能手机或者具有移动通信能力的其它电子设备，如平板电脑、电子书阅读器、多媒体播放设备、可穿戴设备等。在本公开实施例中，对于距离感应器模组在移动终端中的设置位置不作限定，例如距离感应器模组可以设置于移动终端的前面板的下方，也可以设置在移动终端的屏幕下方。
应当理解的是，在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种单光子雪崩二极管SPAD的控制电路，其特征在于，所述控制电路包括：依次串联的分压电阻、所述SPAD和采样电阻；
所述分压电阻的第一端与电源耦合；
所述分压电阻的第二端与所述SPAD的阴极耦合；
所述SPAD的阳极与所述采样电阻的第一端耦合；
所述采样电阻的第二端接地；
所述采样电阻的第一端与所述控制电路的输出端耦合。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路包括如下工作阶段：准备阶段、雪崩发生和淬灭阶段、复位阶段；
在所述准备阶段中，所述SPAD两端的反向偏压等于所述电源电压，且大于所述SPAD的雪崩击穿电压；所述采样电阻两端的压降为零，所述控制电路的输出端无雪崩信号输出；
在所述雪崩发生和淬灭阶段中，光子射入所述SPAD，所述SPAD发生雪崩，所述控制电路中产生雪崩电流，所述控制电路的输出端输出所述雪崩信号；所述分压电阻两端的压降增大，所述SPAD两端的反向偏压减小，当所述SPAD两端的反向偏压小于所述SPAD的雪崩击穿电压时，所述雪崩电流开始淬灭；
在所述复位阶段中，所述雪崩电流完全淬灭后，所述控制电路中无所述雪崩电流，所述SPAD两端的反向偏压增大至所述电源电压。
3.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述SPAD的死时间小于8ps，所述死时间是指所述SPAD无法探测到光子的时间。
4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述电源电压大于所述SPAD的雪崩击穿电压。
5.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述分压电阻的阻值大于100KΩ。
6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述采样电阻的阻值小于100Ω。
7.一种距离感应器模组，其特征在于，所述距离感应器模组包括如权利要求1至6任一项所述的SPAD的控制电路。
8.一种移动终端，其特征在于，所述移动终端包括距离感应器模组，所述距离感应器模组包括如权利要求1至6任一项所述的SPAD的控制电路。
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