CN114814517B

CN114814517B - 芯片内部spad单点雪崩电压的测量方法及其应用

Info

Publication number: CN114814517B
Application number: CN202210732246.2A
Authority: CN
Inventors: 何梦凡; 马宁; 李庆
Original assignee: Hangzhou Yuming Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Yuming Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2022-06-27
Filing date: 2022-06-27
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2042-06-27
Also published as: CN114814517A

Abstract

本申请提出了一种芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法及其应用，包括以下步骤：S1、将SPAD外接反向偏置电压；S2、在无光条件下，将反向偏置电压从初始设定电压以每一设定间隔电压为单位步进调节，分别记录不同偏置电压下该SPAD输出信号在设定时间周期内的脉冲数量；S3、在均匀散射光条件下，将反向偏置电压从初始设定电压以每一设定间隔电压为单位步进调节，分别记录不同偏置电压下该SPAD输出信号在设定时间周期内的脉冲数量；S4、依据无光条件下和均匀散射光条件下同电压的脉冲数量的差值，计算出该SPAD的雪崩电压。本申请具有无需电流测量装置，测试环境简单，测量方便的优点。

Description

芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法及其应用

技术领域

本申请涉及光电二极管领域，特别是涉及一种芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法及其应用。

背景技术

雪崩二极管是利用半导体结构中载流子的碰撞电离和渡越时间两种物理效应而产生负阻的固体微波器件。目前测试雪崩二极管反向击穿的方法主要是：测试在无光条件下，在二极管两端加恒流源，当电流达到规定值时，二极管两端产生的电压降即为二极管的击穿电压。然而该方法需要增加非常精确的测电流装置，导致整体成本较高，且操作不方便。

因此，亟待一种在不需要测电流的情况下推算出SPAD的雪崩电压，具有方便，成本低的优点。

发明内容

本申请实施例提供了一种芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法及其应用。

第一方面，本申请提供了一种芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法，所述方法包括以下步骤：

S1、将SPAD外接反向偏置电压；

S2、在无光条件下，将反向偏置电压从初始设定电压以每一设定间隔电压为单位步进调节，分别记录不同偏置电压下该SPAD输出信号在设定时间周期内的脉冲数量；

S3、在均匀散射光条件下，将反向偏置电压从初始设定电压以每一设定间隔电压为单位步进调节，分别记录不同偏置电压下该SPAD输出信号在设定时间周期内的脉冲数量；

S4、依据无光条件下和均匀散射光条件下同电压的脉冲数量的差值，计算出该SPAD的雪崩电压。

进一步地，步骤S1中，通过外接程控可调的数字电源给SPAD提供反向偏置电压。

进一步地，步骤S2和步骤S3中，通过示波器计算SPAD输出信号在设定时间周期内的脉冲数量。

进一步地，步骤S4中，光照强度满足同电压下，无光条件下和均匀散射光条件下脉冲数量的差值大于100KHz。

进一步地，步骤S4中，以偏置电压值为x轴，脉冲数量的差值为y轴，绘制趋势线，以每个趋势线与x轴的交点为该SPAD的雪崩电压。

进一步地，步骤S1中，通过IIC配置芯片控制单个SPAD开闭。

进一步地，步骤S2和步骤S3中，初始设定电压为10.8V，设定间隔电压为0.1V。

第二方面，本申请提供了一种雪崩电压测量装置，包括用于控制单个SPAD开闭的IIC配置芯片、用于给SPAD提供反向偏置电压的数字电源、用于计算一个设定时间周期SPAD输出信号的脉冲数量的示波器以及处理端；

IIC配置芯片、数字电源、示波器均与处理端通信连接；

数字电源为程控可调的电源；

处理端中存储有计算机程序，处理端被设置为运行计算机程序以执行上述的一种芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法。

第三方面，本申请提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，处理器被设置为运行计算机程序以执行上述的一种芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法。

第四方面，本申请提供了一种可读存储介质，可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，过程包括根据上述的一种芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法。

本发明的主要贡献和创新点如下：1、本发明不需要增加非常精确地测电流的装置，也不需要测量电流，只需要通过在有光和无光条件下，分别加入不同的反向偏置电压，利用同电压下脉冲数量差即可计算出该SPAD的雪崩电压，相比现有技术测试环境更加简单，整体成本更低，操作便捷，而且结构也较为精确；

2、仅利用示波器观测SPAD输出脉冲数量即可推算SPAD的雪崩电压，操作简单，且与现有技术相比，本申请利用光子计数（SPAD在没有光子的情况下也会被热激发产生的电子触发从而产生噪声，因此在有光触发的脉冲数要减去无光情况下得到的暗噪声才是真正的被光子激发产生的脉冲数）更加准确，且对光功率及光波段没有固定要求，只要使输出脉冲数量达到100K/s的量级即可，不计算通信参数（误码率和误码数），测量更加方便。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法的流程图；

图2是根据本申请中SPAD在工作条件下捕捉到光子时被触发产生快速输出脉冲的示意图；

图3是根据本申请实施例的电子装置的硬件结构示意图。

具体实施方式

这里将详细的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说明书一个或多个实施例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、本说明书一个或多个实施例的一些方面相一致的装置和方法的例子。

需要说明的是：在其他实施例中并不一定按照本说明书示出和描述的顺序来执行相应方法的步骤。在一些其他实施例中，其方法所包括的步骤可以比本说明书所描述的更多或更少。此外，本说明书中所描述的单个步骤，在其他实施例中可能被分解为多个步骤进行描述；而本说明书中所描述的多个步骤，在其他实施例中也可能被合并为单个步骤进行描述。

实施例一

本申请旨在提出一种利用光子计数方法推算SPAD的雪崩电压，不需要额外的电流测量装置。

本领域技术人员可知，本申请基于的原理为SPAD在工作条件下捕捉到光子时被触发会产生快速输出脉冲，如图3所示，随着反向电压的增加，输出脉冲（光子触发产生的脉冲）的频率也会增加，可以通过电压与输出脉冲频率的关系来推算Vbr(击穿电压或者叫雪崩电压)。

本申请实施例提供了一种芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法，具体地，参考图1和图2，所述方法包括以下步骤：

S1、通过外接程控可调的数字电源给SPAD提供反向偏置电压，通过IIC配置芯片控制单个SPAD开闭；

此步骤中，SPAD为单光子雪崩二极管或者叫单光子敏感器件，工作区间在雪崩电压之上。

此步骤和下面步骤中，初始设定电压优选为10.8V，设定间隔电压为0.1V，设定时间周期可以为每秒，其中偏置电压的范围可以根据实际SPAD工作状态决定。

S3、在均匀散射光条件下（无波段要求），将反向偏置电压从初始设定电压以每一设定间隔电压为单位步进调节，分别记录不同偏置电压下该SPAD输出信号在设定时间周期内的脉冲数量；

此步骤中，光照强度满足同电压下，无光条件下和均匀散射光条件下脉冲数量的差值大于100KHz（同电压下有光和无光情况下的脉冲数量的差值）；

其中，通过示波器计算SPAD输出信号在设定时间周期内的脉冲数量。

S4、依据无光条件下和均匀散射光条件下同电压的脉冲数量的差值（SPAD在没有光子的情况下也会被热激发产生的电子触发从而产生噪声，因此在有光触发的脉冲数要减去无光情况下得到的暗噪声才是真正的被光子激发产生的脉冲数），计算出该SPAD的雪崩电压。

此步骤中，以偏置电压值为x轴，脉冲数量的差值为y轴，绘制趋势线，以每个趋势线与x轴的交点为该SPAD的雪崩电压。

如此，本发明相当于是求解一元一次方程：y= ax + b，得到a和b两个系数，其中a是斜率，b为雪崩电压。

实施例二

基于相同的构思，本申请还提出了一种雪崩电压测量装置，包括用于控制单个SPAD开闭的IIC配置芯片、用于给SPAD提供反向偏置电压的数字电源、用于计算一个设定时间周期SPAD输出信号的脉冲数量的示波器以及处理端；

其中，SPAD只是芯片的一部分，内部还有IIC通讯接口，外部用于配置的是FPAG。

IIC配置芯片、数字电源、示波器均与处理端通信连接；

数字电源为程控可调的电源；

其中，IIC配置芯片可以为ALINX黑金FPGA开发板XILINX ZYNQ7020或类似的信号，要求是能够可编程。而数字电源可以为IT6320 三路可编程直流电源或类似性能的型号，要求是具有可编程功能，电压范围为0~36V，步进精度为10mV。

实施例三

本实施例还提供了一种电子装置，参考图3，包括存储器404和处理器402，该存储器404中存储有计算机程序，该处理器402被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。

具体地，上述处理器402可以包括中央处理器（CPU），或者特定集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit，简称为ASIC），或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。

其中，存储器404可以包括用于数据或指令的大容量存储器404。举例来说而非限制，存储器404可包括硬盘驱动器（HardDiskDrive，简称为HDD）、软盘驱动器、固态驱动器（SolidStateDrive，简称为SSD）、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线（UniversalSerialBus，简称为USB）驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器404可包括可移除或不可移除（或固定）的介质。在合适的情况下，存储器404可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器404是非易失性（Non-Volatile）存储器。在特定实施例中，存储器404包括只读存储器（Read-OnlyMemory，简称为ROM）和随机存取存储器（RandomAccessMemory，简称为RAM）。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM（ProgrammableRead-OnlyMemory，简称为PROM）、可擦除PROM（ErasableProgrammableRead-OnlyMemory，简称为EPROM）、电可擦除PROM（ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory，简称为EEPROM）、电可改写ROM（ElectricallyAlterableRead-OnlyMemory，简称为EAROM）或闪存（FLASH）或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，该RAM可以是静态随机存取存储器（StaticRandom-AccessMemory，简称为SRAM）或动态随机存取存储器（DynamicRandomAccessMemory，简称为DRAM），其中，DRAM可以是快速页模式动态随机存取存储器404（FastPageModeDynamicRandomAccessMemory，简称为FPMDRAM）、扩展数据输出动态随机存取存储器（ExtendedDateOutDynamicRandomAccessMemory，简称为EDODRAM）、同步动态随机存取内存（SynchronousDynamicRandom-AccessMemory，简称SDRAM）等。

存储器404可以用来存储或者缓存需要处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器402所执行的可能的计算机程序指令。

处理器402通过读取并执行存储器404中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法。

可选地，上述电子装置还可以包括传输设备406以及输入输出设备408，其中，该传输设备406和上述处理器402连接，该输入输出设备408和上述处理器402连接。

传输设备406可以用来经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括电子装置的通信供应商提供的有线或无线网络。在一个实例中，传输设备包括一个网络适配器（Network Interface Controller，简称为NIC），其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输设备406可以为射频（Radio Frequency，简称为RF）模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。

输入输出设备408用于输入或输出信息。在本实施例中，输入的信息可以是初始设定电压为10.8V，设定间隔电压为0.1V，设定时间周期可以为每秒，输出信息可以为该SPAD的雪崩电压结果。

实施例四

本实施例还提供了一种可读存储介质，可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，过程包括根据实施例1的一种芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法。

需要说明的是，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。

通常，各种实施例可以以硬件或专用电路、软件、逻辑或其任何组合来实现。本发明的一些方面可以以硬件来实现，而其他方面可以以可以由控制器、微处理器或其他计算设备执行的固件或软件来实现，但是本发明不限于此。尽管本发明的各个方面可以被示出和描述为框图、流程图或使用一些其他图形表示，但是应当理解，作为非限制性示例，本文中描述的这些框、装置、系统、技术或方法可以以硬件、软件、固件、专用电路或逻辑、通用硬件或控制器或其他计算设备或其某种组合来实现。

本发明的实施例可以由计算机软件来实现，该计算机软件由移动设备的数据处理器诸如在处理器实体中可执行，或者由硬件来实现，或者由软件和硬件的组合来实现。包括软件例程、小程序和/或宏的计算机软件或程序(也称为程序产品)可以存储在任何装置可读数据存储介质中，并且它们包括用于执行特定任务的程序指令。计算机程序产品可以包括当程序运行时被配置为执行实施例的一个或多个计算机可执行组件。一个或多个计算机可执行组件可以是至少一个软件代码或其一部分。另外，在这一点上，应当注意，如图中的逻辑流程的任何框可以表示程序步骤、或者互连的逻辑电路、框和功能、或者程序步骤和逻辑电路、框和功能的组合。软件可以存储在诸如存储器芯片或在处理器内实现的存储块等物理介质、诸如硬盘或软盘等磁性介质、以及诸如例如DVD及其数据变体、CD等光学介质上。物理介质是非瞬态介质。

本领域的技术人员应该明白，以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将SPAD外接反向偏置电压；

S4、依据无光条件下和均匀散射光条件下同电压的脉冲数量的差值，计算出该SPAD的雪崩电压；

其中，以偏置电压值为x轴，脉冲数量的差值为y轴，绘制趋势线，以每个趋势线与x轴的交点为该SPAD的雪崩电压。

2.如权利要求1所述的一种芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法，其特征在于，步骤S1中，通过外接程控可调的数字电源给所述SPAD提供反向偏置电压。

3.如权利要求1所述的一种芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法，其特征在于，步骤S2和步骤S3中，通过示波器计算SPAD输出信号在设定时间周期内的脉冲数量。

4.如权利要求1所述的一种芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法，其特征在于，步骤S4中，光照强度满足同电压下，无光条件下和均匀散射光条件下脉冲数量的差值大于100KHz。

5.如权利要求1所述的一种芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法，其特征在于，步骤S1中，通过IIC配置芯片控制单个SPAD开闭。

6.如权利要求1-5任意一项所述的一种芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法，其特征在于，步骤S2和步骤S3中，初始设定电压为10.8V，设定间隔电压为0.1V。

7.一种雪崩电压测量装置，其特征在于，包括用于控制单个SPAD开闭的IIC配置芯片、用于给SPAD提供反向偏置电压的数字电源、用于计算一个设定时间周期SPAD输出信号的脉冲数量的示波器以及处理端；

所述IIC配置芯片、所述数字电源、所述示波器均与所述处理端通信连接；

所述数字电源为程控可调的电源；

所述处理端中存储有计算机程序，所述处理端被设置为运行所述计算机程序以执行权利要求1至6任一所述的一种芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法。

8.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行权利要求1至6任一所述的一种芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法。

9.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序包括用于控制过程以执行过程的程序代码，所述过程包括根据权利要求1至6任一项所述的一种芯片内部SPAD单点雪崩电压的测量方法。