ES2849224B2 - Fotomultiplicador digital de combinacion or de pulsos - Google Patents

Fotomultiplicador digital de combinacion or de pulsos Download PDF

Info

Publication number
ES2849224B2
ES2849224B2 ES202030127A ES202030127A ES2849224B2 ES 2849224 B2 ES2849224 B2 ES 2849224B2 ES 202030127 A ES202030127 A ES 202030127A ES 202030127 A ES202030127 A ES 202030127A ES 2849224 B2 ES2849224 B2 ES 2849224B2
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
transistor
active
microcells
source
recharge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES202030127A
Other languages
English (en)
Other versions
ES2849224A1 (es
Inventor
Ion Vornicu
Galan Ricardo Carmona
Vazquez Angel Rodriguez
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Universidad de Sevilla
Original Assignee
Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Universidad de Sevilla
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC, Universidad de Sevilla filed Critical Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority to ES202030127A priority Critical patent/ES2849224B2/es
Priority to US17/799,804 priority patent/US11747194B2/en
Priority to EP21753025.2A priority patent/EP4106011A4/en
Priority to PCT/ES2021/070098 priority patent/WO2021160916A1/es
Publication of ES2849224A1 publication Critical patent/ES2849224A1/es
Application granted granted Critical
Publication of ES2849224B2 publication Critical patent/ES2849224B2/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/02016—Circuit arrangements of general character for the devices
    • H01L31/02019—Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02027—Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for devices working in avalanche mode
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/429—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to measurement of ultraviolet light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
    • G01T1/248—Silicon photomultipliers [SiPM], e.g. an avalanche photodiode [APD] array on a common Si substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic radiation-sensitive element covered by group H10K30/00
    • H10K39/30—Devices controlled by radiation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J2001/4413—Type
    • G01J2001/442—Single-photon detection or photon counting
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J2001/4446—Type of detector
    • G01J2001/4453—PMT
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J2001/4446—Type of detector
    • G01J2001/446—Photodiode
    • G01J2001/4466—Avalanche

Landscapes

  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Description

DESCRIPCIÓN
FOTOMULTIPLICADOR DIGITAL DE COMBINACIÓN OR DE PULSOS
OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto de la invención es un fotomultiplicador digital con una serie de microceldas que comprenden cada una un circuito activo de extinción y recarga (AQR, Active Quenching and Recharge) con un tiempo muerto (Dead Time) variable, y combinadas siguiendo un esquema OR. Se obtiene una gran eficiencia en el uso de energía al desactivar cada una de las microceldas individuales del resto de microceldas cuando estas se activan de manera prácticamente simultánea, ya que hubieran quedado de otra manera enmascaradas por el esquema OR.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los fotomultiplicadores de silicio (SiPM, Silicon Photo-Multiplier) consisten en matrices de diodos de avalancha sensibles a eventos de un único fotón (SPAD, Single-Photon Avalanche Diodes) que comparten, en el esquema más básico, un nudo de salida. Cada SPAD acompañado de su resistencia de extinción constituye una microcelda. Las corrientes de avalancha generadas en las microceldas se agregan en un nudo común obteniéndose una corriente que constituye la salida del fotomultiplicador.
El problema principal de este esquema de SiPM analógico es que las corrientes de avalancha se desarrollan en su máxima amplitud y pueden alcanzar una magnitud muy considerable. Esto representa un consumo de potencia demasiado elevado para algunas aplicaciones.
Además de esto, la resistencia de extinción se diseña de tal modo que con poca corriente se produzca un pulso en la tensión suficiente para sacar al diodo de la tensión de ruptura. El problema de esto es que el diodo vuelve a recargarse a través de la misma resistencia, que por ser tan alta desemboca en unos tiempos de recarga grandes. Esto supone que el dispositivo va a quedar inutilizado para la captura de un nuevo fotón durante un periodo, tiempo muerto, excesivamente largo. Este fenómeno de acumulación (pile-up) de los fotones conlleva un error en la resolución con la que se mide la energía del pulso y en la determinación del tiempo de vuelo.
Dado que la información que provee cada SPAD es binaria, esto es, de la existencia de una avalancha se deduce la detección de un fotón, con independencia de la magnitud de la corriente de avalancha, dejar que la avalancha evolucione es un gasto energético innecesario.
Los fotomultiplicadores de silicio digitales (d-SiPM) resuelven esto mediante la incorporación de un monoestable a microcelda que genera un pulso de duración limitada asociado al inicio de cada avalancha. Este monoestable forma parte de un circuito activo de extinción y recarga. Puesto que la magnitud de la avalancha no reporta información adicional, el circuito de extinción activo detiene la avalancha muy pronto, reduciendo el consumo de potencia, y acelera la recarga del diodo hasta conseguir un tiempo muerto aceptable, y por lo general regulable, con la consiguiente reducción de la acumulación (pile-up).
Los pulsos generados por la microceldas se conducen hacia un mismo nudo, para contarlos y cronometrarlos, con el fin de obtener estimaciones sobre del número de fotones detectados y el tiempo de vuelo, respectivamente. Para combinar los pulsos que vienen de diferentes microceldas se utiliza habitualmente un árbol OR, que agrega todos los pulsos salvo los que se encuentren a menos del nuevo tiempo muerto delimitado por la duración de los pulsos del monoestable.
El principal problema de este esquema de d-SiPM es la reducción del factor de relleno (FF, Fill Factor), lo que supone una pérdida de sensibilidad. Esta reducción se debe por un lado a que el circuito activo de extinción y recarga ocupa un área mayor que la resistencia de extinción, lo que significa que el FF de la microcelda disminuye y, en consecuencia, el del propio SiPM.
Por otro lado, los circuitos de conteo de pulsos y temporización, convertidores de tiempo a digital (TDC: Time-to-Digital Converters) también ocupan un área que de otro modo estaría destinada a detectar fotones. El número de contadores y TDCs es el resultado de un compromiso entre la resolución espacial y temporal. Si tuviéramos tantos como microceldas, la reducción del área sensible podría resultar inadmisible. Si reducimos el número de contadores y TDCs, volvemos a generar acumulación (pile-up) con la consiguiente pérdida de fotones.
Algún ejemplo del estado de la técnica sería el documento W02013018006A1, que describe un detector de fotones que incluye una matriz SPAD con circuitería para determinar la posición de los SPAD que han realizado una detección.
Este dispositivo comprende unos elementos configurados para almacenar las coordenadas de posición dentro de la matriz de aquellos SPAD que se hayan disparado. Para poder determinar la fila a la que pertenece el SPAD que se ha disparado, todos los SPAD pertenecientes a la misma fila comparten una puerta OR que combina las salidas. Del mismo modo, todos los SPAD que pertenecen a la misma columna comparten una puerta OR que permite determinar la columna en la que se encuentra el SPAD que se ha disparado.
Por otra parte, el documento US2006202129A1 describe un circuito integrado con una matriz de microceldas, cada una de ellas compuesta por un SPAD, un buffer para conformar el pulso de salida digital y varios transistores que hacen de driver de un bus de columna conectado bien a un TDC o a un contador digital asincrono. También se considera la posibilidad de desacoplar el circuito de lectura del pixel mediante un transformador.
En el documento US2017242136A1 se muestra un dispositivo semiconductor fotomultiplicador (SPM). El SPM comprende un conjunto de elementos fotosensibles, conectados a un primer electrodo dispuesto para proporcionar un voltaje de polarización a estos elementos fotosensibles.
Comprende también un conjunto de elementos resistivos para la extinción de la avalancha, cada uno asociado con un elemento fotosensible correspondiente. Estos elementos resistivos están conectados en el otro extremo a un segundo electrodo dispuesto como un electrodo de polarización. Acoplados a cada uno de los nudos que unen un elemento fotosensible con un elemento resistivo, tenemos una carga capacitiva en paralelo con otra carga resistiva y eventualmente un diodo, que se conectan todos a un tercer electrodo común para proporcionar una señal de salida del dispositivo.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Un aspecto de la arquitectura de d-SiPM descrita que no ha sido considerado anteriormente es el consumo innecesario de potencia introducido por las avalanchas que ocurren dentro del tiempo muerto. Estas avalanchas van a generar un pulso que no va a pasar de la combinación OR y no va a ser por tanto contabilizado. Nuestra propuesta consiste en asociar N microceldas en una macrocelda en la que se desactiven los fotodiodos durante el tiempo muerto que ocurre tras el disparo de una avalancha en uno de los diodos de la misma.
La invención que se describe es por tanto un fotomultiplicador digital basado en macroceldas que contienen: N fotodiodos de avalancha, un circuito activo de extinción de la avalancha y de recarga para cada diodo muy compacto y de bajo consumo, con monoestable compartido que da lugar a un tiempo muerto regulable, y un mecanismo de combinación de los pulsos generados por los SPADs que componen la macrocelda que reduce el consumo de potencia.
Esta macrocelda es compatible con los esquemas de detección en fotomultiplicadores de silicio digitales en los que se realiza una combinación-OR de los pulsos. La clave para la eficiencia energética está en el hecho de que el disparo de una avalancha en uno de los SPAD impide que el resto de los SPADs de la macrocelda se disparen.
Este aspecto es importante a la hora de diseñar fotomultiplicadores digitales de gran tamaño, ya que necesitamos que cada microcelda tenga un consumo mínimo y un nivel de ruido mínimo. Es conveniente, en estas condiciones, tener en cuenta las limitaciones de las técnicas de combinación de pulsos OR.
En los esquemas de combinación-OR, toda una serie de celdas con diodos de avalancha sensibles a un único fotón convergen en un mismo canal, de modo que sus salidas están combinadas en una lógica OR. Cada una de estas celdas comprende un diodo de avalancha sensible a eventos de un único fotón y un circuito de extinción y recarga que puede ser activo o pasivo.
En el caso de usar un circuito pasivo de extinción y recarga, se producen consumos de energía elevados puesto que la amplitud de los pulsos y la anchura de los mismos se controlan con el mismo elemento, esto no resulta conveniente para lograr una compresión de pulsos elevada.
Además, en este tipo de esquemas de combinación-OR, cuando se producen varias detecciones en varios de los diodos de avalancha de manera simultánea, no se puede diferenciar en la salida común en cuál de los diodos se ha producido la detección. Además, esta superposición de detecciones tiende a producirse entre los diodos que se encuentran adyacentes, es decir, que pertenecen a una misma macrocelda. Por lo tanto, los diodos con detecciones superpuestas están consumiendo energía de manera innecesaria.
En un esquema convencional de combinación-OR, las avalanchas que se generan en celdas adyacentes casi al mismo tiempo que la primera, quedan enmascaradas por el sistema de combinación de pulsos, por lo que se produce un consumo de energía inútil, ya que estas avalanchas no aportarían información adicional. Este consumo innecesario puede resultar crítico cuando se diseñan fotomultiplicadores con un gran número de elementos de sensado.
Para dar respuesta a estos problemas se ha desarrollado la presente invención, que consiste en un fotomultiplicador digital de combinación-OR de pulsos que está formado por macroceldas. Cada una de estas macroceldas comprende al menos dos microceldas, estando cada una de las microceldas conectada a un nudo de salida siguiendo un esquema OR. La agrupación de microceldas permite la reducción de la circuitería de extinción y recarga mediante la compartición de algunos transistores, lo que redunda en una mejora del FF.
Cada una de las microceldas comprende un bloque de circuito activo de extinción y recarga (AQR, Active Quenching and Recharge). Cada uno de los bloques está constituido por una serie de transistores, cuya disposición se expondrá más adelante, y está asociado a un punto por el que se puede introducir una señal que arranca la recarga activa.
En cada una de las microceldas se posiciona asimismo un diodo de avalancha sensible a eventos de un único fotón, con su ánodo conectado al circuito activo de extinción y recarga, un primer transistor de desactivación con su puerta conectada a un procesador externo, y su drenador y fuente asociados al circuito activo de extinción y recarga, y un segundo transistor de desactivación con su puerta conectada a un procesador externo, su drenador asociado al nudo de salida y su fuente asociado al circuito activo de extinción y recarga.
Este conjunto puede comprender adicionalmente un transistor de fijación al nivel alto con su drenador conectado al nudo común.
Como se ha indicado, el circuito activo de extinción y recarga comprende, en una realización preferente de la invención, cuatro transistores. Un primer transistor con su puerta conectada a la fuente del segundo transistor de desactivación, su drenador conectado al ánodo del diodo de avalancha y su fuente conectada a un nudo común a las microceldas, un segundo transistor con su puerta conectada a la fuente del segundo transistor de desactivación, su drenador conectado al drenador del primer transistor de desactivación y su fuente conectada a una entrada de señal de activación, un tercer transistor con su puerta conectada al punto por el que se recibe la señal de inicio de la recarga activa, su drenador conectado a la fuente del primer transistor de desactivación y su fuente conectada al nudo común entre microceldas, y un cuarto transistor con su puerta conectada al drenador del primer transistor de desactivación, su drenador conectado a la fuente del segundo transistor de activación y su fuente conectada a tierra.
Cada macrocelda del fotomultiplicador objeto de la invención, puede comprender adicionalmente un monoestable para la generación de la señal de inicio de la recarga activa conectado al circuito de recarga activa.
La macrocelda del fotomultiplicador digital expuesta presenta una serie de puntos fuertes:
- compactibilidad: se consigue compartiendo la electrónica de control, es decir la conexión a un único procesador externo, entre todas las microceldas de una misma macrocelda, alcanzando así un 30% de factor de relleno (FF, Filling Factor). El circuito activo de extinción y recarga de cada diodo de avalancha es implementado por cuatro transistores. Comparado con una microcelda que contenga un circuito de extinción y recarga pasivo, el bloque de extinción y recarga propuesto representa sólo un 13% de penalización en el factor de relleno, que puede ser compensado por mediante el uso de micro-lentes, - eficiencia energética: la macrocelda propuesta se beneficia de una limitación inherente a la combinación-OR de pulsos al desactivar las microceldas de cada macrocelda cuando se produce una superposición de pulsos.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista esquemática de una macrocelda del fotomultiplicador digital de combinación OR de pulsos en una realización con cuatro microceldas.
Figura 2.- Muestra una vista esquemática del monoestable.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A continuación se describe, con ayuda de las figuras 1 y 2, una realización preferente de la presente invención.
En la figura 1 se muestra un esquema de una macrocelda del fotomultiplicador digital de combinación OR de pulsos objeto de la invención, que en esta realización comprende unas microceldas (1), concretamente cuatro. Cada una de las microceldas (1) está conectada a un nudo de salida (7), siguiendo un esquema OR.
Cada una de las microceldas (1) comprende un circuito activo de extinción y recarga (2). A su vez, cada uno de estos circuitos activos de extinción y recarga (2) comprende cuatro transistores (3).
Además, cada una de las microceldas (1) comprende un punto por el que recibe la señal de inicio de la recarga activa (6) asociado a cada circuito activo de extinción y recarga (2).
Cada una de las microceldas (1) cuenta asimismo con un diodo de avalancha (8) sensible a eventos de fotón único o SPAD (Single Photon Avalanche Diode), con su ánodo conectado al circuito activo de extinción y recarga (2).
Por último, cada una de las microceldas (1) comprende un primer transistor de desactivación (45) con su puerta conectada a un procesador externo (5), su drenador conectado al drenador del segundo transistor (32) y su fuente conectada al drenador del tercer transistor (33), y un segundo transistor de desactivación (46) con su puerta conectada a un procesador externo (5), su drenador asociado al nudo de salida (7) y su fuente conectada al drenador del cuarto transistor (34).
Tanto el primer transistor de desactivación (45) como el segundo transistor de desactivación (46) están destinados a desactivar la microcelda (1) en la que están comprendidos, de forma que se pueden desactivar las microceldas (1) de manera completamente individual unas de otras.
Como se ha indicado, las puertas de los transistores de desactivación (45, 46) están conectadas a un procesador externo (5), concretamente a unas memorias SRAM (Single Random Access Memory). Esto es necesario para poder apagar los diodos de avalancha (8) ruidosos cuando se opera en modo normal o para medir la intercomunicación o cross-talk entre microceldas (1) cuando se está caracterizando el circuito.
Sin embargo, en aquellas tecnologías que tienen unas tasas de cuentas a oscuras (DCR, Dark Count Rafe) por unidad de área suficientemente baja, los transistores de desactivación (45, 46) no son necesarios.
Todas las microceldas (1) están conectadas a un nudo de salida (7). Además, entre los drenadores de dos de los segundos transistores de desactivación (46) se localiza un nudo de salida (7). A este nudo de salida (7) está conectado por su drenador un transistor de fijación al nivel alto (12).
Los transistores (3) de cada una de las microceldas (1) están conectados como se describe a continuación. El primer transistor (31) tiene su puerta conectada a la fuente del segundo transistor de desactivación (46), su drenador conectado al ánodo del diodo de avalancha (8) y su fuente conectado a un nudo de unión entre microceldas (9). El segundo transistor (32) tiene su puerta conectada la fuente del segundo transistor de desactivación (46), su drenador conectado al drenador del primer transistor de desactivación (45) y su fuente conectada a una entrada de señal de activación.
El tercer transistor (33) tiene su puerta conectada al punto de activación de la recarga activa (6), su drenador conectado a la fuente del primer transistor de desactivación (45) y su fuente conectado al nudo de unión entre microceldas (9), y el cuarto transistor (34) con su puerta conectada al drenador del primer transistor de desactivación (45), su drenador conectado a la fuente del segundo transistor de activación (46) y su fuente conectado a tierra.
Aunque en esta realización se muestran cuatro microceldas (1), la presente invención permite desarrollar una arquitectura con múltiples microceldas (1).
La señal de inicio de la recarga activa se introduce en el punto de activación de la recarga activa (6) a través de un monoestable (11), cuya realización se muestra en detalle en la figura 2. El monoestable (11) presenta un tiempo muerto o DT (Dead Time) variable, de manera que se logra encontrar un valor óptimo de la anchura del pulso de salida, para que el ruido correlacionado tenga un valor mínimo. Una vez determinado el valor óptimo, se pueden optimizar las áreas de un resistor variable (13) y un condensador MOS (14) comprendidos en el monoestable (11).
Se procede a continuación a explicar el funcionamiento de la macrocelda del fotomultiplicador digital objeto de la presente invención. Suponemos que se habilitan todas las microceldas (1) a través del procesador externo (5), y que se ha introducido un pulso como señal de recarga activa en el punto de activación de la recarga activa (6). Como consecuencia, todos los diodos de avalancha (8) se recargan llevando el voltaje de sus ánodos a tierra, a través del tercer transistor (33) y del primer transistor de desactivación (45).
Esto apaga el cuarto transistor (34) en cada una de las microceldas (1), dejando que el nudo de salida (7) sea activado a una tensión de activación VDD a través del transistor de fijación al nivel alto (12). Como consecuencia, los segundos transistores (32) se desactivan y los primeros transistores (31) se activan, lo que mantiene los ánodos de los diodos de avalancha (8) conectados a tierra y preparados para ser disparados.
Además, si en el nodo de salida se alcanza la tensión de activación VDD, entonces en el punto de activación de la recarga activa (6) la tensión se reduce, apagando los terceros transistores (33). Por último, el condensador MOS (14) del monoestable (11) se descarga.
A continuación, suponemos que se activa el diodo de avalancha (8) de la microcelda (1) de la esquina superior izquierda de la figura 1, por una detección bien espuria o bien verdadera, lo que hace que comience a aumentar la tensión en su ánodo. Por consiguiente, el cuarto transistor (34) de esta microcelda (1) se enciende y empieza a reducir la tensión en el nudo de salida (7) a través del segundo transistor de desactivación (46). Antes, la tensión en el nudo de salida (7) estaba mantenida únicamente por el segundo transistor de desactivación (46).
Además, el segundo transistor (32) se activa, aumentando aún más rápido la tensión en el ánodo del diodo de avalancha de fotón único (8). Esto se produce con la activación de un lazo de realimentación positivo entre el segundo transistor (32) y el cuarto transistor (34).
La reducción de la tensión en el nudo de salida (7) apaga el primer transistor (31). Cuando la tensión en el ánodo del diodo de avalancha de fotón único (8) alcanza la tensión de activación VDD, el diodo de avalancha (8) se apaga, y permanecerá en este estado hasta que llegue una señal de inicio de la recarga activa a través del punto de activación de la recarga activa
(6).
Se analiza ahora que sucede en el resto de microceldas (1). La primera detección ocasionada por el diodo de avalancha de fotón único (8) de la microcelda (1) superior izquierda provoca una transición negativa de la tensión en el nudo de salida (7). Como consecuencia, el segundo transistor (32) y el cuarto transistor (34) deshabilitan el primer transistor (31) en cada una del resto de microceldas (1), poniendo a la tensión de activación VDD la tensión en el ánodo de los diodos de avalancha (8) y desactivando los diodos de avalancha (8). Estos permanecerán en este estado hasta la llegada de una nueva señal a través del nodo de activación de la recarga activa (6).
Analizando ahora la figura 2, la transición negativa de la tensión en el nudo de salida (7) activa un camino de carga a través del resistor variable (13) del monoestable (11). El condensador MOS (14) comienza a cargarse con la constante de tiempo establecida por el tiempo de retardo.
Cuando la tensión en el condensador MOS (14) alcanza un cierto valor, entonces se activa el punto de activación de la recarga activa (6), encendiendo todos los terceros transistores (33) de cada una de las microceldas (1).
A continuación, todas las tensiones en los ánodos de los diodos de avalancha de fotón único (8) pasan a ser cero, los cuartos transistores (34) se apagan, la tensión en el nudo de salida (7) se activa únicamente a través del transistor de fijación al nivel alto (12) que apaga los segundos transistores (32) y enciende los primeros transistores (31) recargando todos los diodos de avalancha de fotón único.
Cuando la tensión en el nudo de salida (7) alcanza la tensión de activación VDD, el condensador MOS (14) se descarga rápidamente, apagando la señal de recarga activa en el punto de activación de la recarga activa (6).
En este punto todas las microceldas (1) están armadas, esperando una detección que puede activar a cualquiera de ellas. Si más de una microcelda (1) se activa a la vez, la macrocelda del fotomultiplicador se comporta de manera similar a cómo se ha explicado, de manera que el resto de microceldas (1) se deshabilitan como se ha explicado anteriormente.
En resumen, cualquier microcelda (1) que es activada por una primera detección deshabilita automáticamente el resto de microceldas (1).
Este esquema permite un ahorro energético de manera que el resto de detecciones que se produzcan después de una primera detección quedarán enmascaradas con el esquema de combinación OR entre todas las microceldas (1).
Finalmente, se va a exponer el mecanismo de desactivación de cada microcelda (1) individual. Suponemos que la señal de recarga activa introducida por el punto de activación de la recarga activa (6) de la microcelda posicionada en la esquina superior izquierda de la figura 1 es cero, lo que apaga el primer transistor de desactivación (45) y el segundo transistor de desactivación (46). Esto desacopla dicha microcelda (1) del nudo de salida (7) de la macrocelda del fotomultiplicador.
Si el diodo de avalancha (8) de dicha microcelda (1) había sido recargado antes de ser desactivado, entonces está listo para volver a activarse una vez más, después de permanecer apagado mientras la señal de recarga activa esté a cero. Esto se produce gracias al segundo transistor (32) y cuarto transistor (34) emparejados, que bloquean la señal de recarga activa a cero.
Esto permite desactivar cada una de las microceldas (1) que constituirían una macrocelda, usando únicamente un transistor NMOS, sin ser necesario ningún transistor PMOS adicional para levantar el ánodo del diodo de avalancha (8) a la tensión de activación VDD.
Si se hubiera utilizado un transistor PMOS, como en otras realizaciones del estado de la técnica, este debería haber estado conectado entre el ánodo del diodo de avalancha (8) y la tensión de activación VDD, estando su puerta controlada por la señal de recarga activa. Esto supone una mejora importante del factor de relleno (FF, Filling Factor)

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. - Fotomultiplicador digital de combinación OR de pulsos, caracterizado por que comprende al menos una macrocelda, cada una de las cuales comprende al menos dos microceldas (1), estando cada una de las microceldas (1) conectadas a un nudo de salida (7) siguiendo un esquema OR y comprendiendo cada una de las microceldas (1):
- un circuito activo de extinción y recarga (2),
- un punto de activación de recarga activa (6) asociado al circuito activo de extinción y recarga (2),
- un diodo de avalancha (8) sensible a un único fotón, con su ánodo conectado al circuito activo de extinción y recarga (2),
- un primer transistor de desactivación (45) con su puerta conectada a un procesador externo (5), y su drenador y fuente asociados al circuito activo de extinción y recarga
(2),
- un segundo transistor de desactivación (46) con su puerta conectada a un procesador externo (5), su drenador conectado al nudo de salida (7) y su fuente asociada al circuito activo de extinción y recarga (2).
2. - El fotomultiplicador de la reivindicación 1, en el que la al menos una macrocelda comprende adicionalmente un transistor de fijación al nivel alto (12) con su drenador conectado al nudo de salida (7).
3. - El fotomultiplicador de la reivindicación 1, en el que el circuito activo de extinción y recarga (2) comprende:
- un primer transistor (31) con su puerta conectada a la fuente del segundo transistor de desactivación (46), su drenador conectado al ánodo del diodo de avalancha (8) y su fuente conectada a un nudo de unión entre microceldas (9),
- un segundo transistor (32) con su puerta conectada a la fuente del segundo transistor de desactivación (46), su drenador conectado al drenador del primer transistor de desactivación (45) y su fuente conectada a una tensión de activación,
- un tercer transistor (33) con su puerta conectada al punto de activación de recarga activa (6), su drenador conectado a la fuente del primer transistor de desactivación (45) y su fuente conectada al nudo de unión entre microceldas (9), y
- un cuarto transistor (34) con su puerta conectada al drenador de los transistores (31, 32), su drenador conectado a la fuente del segundo transistor de activación (46) y su fuente conectada a tierra.
4.- El fotomultiplicador de la reivindicación 1, en el que la al menos una macrocelda comprende adicionalmente un monoestable (11) de generación de una señal de recarga activa conectado al punto de activación de la recarga activa (6).
ES202030127A 2020-02-14 2020-02-14 Fotomultiplicador digital de combinacion or de pulsos Active ES2849224B2 (es)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES202030127A ES2849224B2 (es) 2020-02-14 2020-02-14 Fotomultiplicador digital de combinacion or de pulsos
US17/799,804 US11747194B2 (en) 2020-02-14 2021-02-11 OR pulse combination digital photomultiplier
EP21753025.2A EP4106011A4 (en) 2020-02-14 2021-02-11 DIGITAL PHOTO MULTIPLER WITH OR PULSE COMBINATION
PCT/ES2021/070098 WO2021160916A1 (es) 2020-02-14 2021-02-11 Fotomultiplicador digital de combinación or de pulsos

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES202030127A ES2849224B2 (es) 2020-02-14 2020-02-14 Fotomultiplicador digital de combinacion or de pulsos

Publications (2)

Publication Number Publication Date
ES2849224A1 ES2849224A1 (es) 2021-08-16
ES2849224B2 true ES2849224B2 (es) 2022-01-21

Family

ID=77245016

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES202030127A Active ES2849224B2 (es) 2020-02-14 2020-02-14 Fotomultiplicador digital de combinacion or de pulsos

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11747194B2 (es)
EP (1) EP4106011A4 (es)
ES (1) ES2849224B2 (es)
WO (1) WO2021160916A1 (es)

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7547872B2 (en) 2005-02-14 2009-06-16 Ecole Polytechnique Federale De Lausanne Integrated circuit comprising an array of single photon avalanche diodes
US9176241B2 (en) 2011-08-03 2015-11-03 Koninklijke Philips N.V. Position-sensitive readout modes for digital silicon photomultiplier arrays
KR101982278B1 (ko) * 2012-03-26 2019-08-28 삼성전자주식회사 디지털 실리콘 광전자 증배관 디텍터 셀
WO2015157341A1 (en) * 2014-04-07 2015-10-15 Samsung Electronics Co., Ltd. High resolution, high frame rate, low power image sensor
FR3034204A1 (es) * 2015-03-23 2016-09-30 Stmicroelectronics (Grenoble 2) Sas
US9939536B2 (en) 2016-02-19 2018-04-10 Sensi Technologies Ltd. Semiconductor photomultiplier with baseline restoration for a fast terminal signal output including output loads to correct an overshoot of an output signal (as amended)
CN106338339B (zh) * 2016-10-17 2017-11-17 东南大学 应用于阵列型单光子雪崩二极管的紧凑型检测淬灭电路
CN107222694B (zh) * 2017-04-24 2020-07-14 深圳大学 一种低像素尺寸的单光子cmos图像传感器像素电路
US11035725B2 (en) * 2019-02-13 2021-06-15 Technion Research & Development Foundation Limited Sensing device comprising electrical components of high voltage domain and low voltage domain to perform quenching of a single photon avalanche diode
US11340109B2 (en) * 2019-05-24 2022-05-24 Infineon Technologies Ag Array of single-photon avalanche diode (SPAD) microcells and operating the same

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021160916A1 (es) 2021-08-19
US20230132965A1 (en) 2023-05-04
EP4106011A4 (en) 2024-03-06
ES2849224A1 (es) 2021-08-16
EP4106011A1 (en) 2022-12-21
US11747194B2 (en) 2023-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20110079727A1 (en) Silicon photomultiplier readout circuitry
US9040898B2 (en) Device having a plurality of photosensitive microcells arranged in row or matrix form
CN111526306B (zh) 具有单光子雪崩二极管像素的半导体器件
EP1132725B1 (en) Monolithic circuit of active quenching and active reset for avalanche photodiodes
ES2327835T3 (es) Dispositivo de imagenes de recuento de fotones.
GB2426575A (en) Photon detector using controlled sequences of reset and discharge of a capacitor to sense photons
US9541448B2 (en) Silicon photomultipliers with digitized micro-cells having a first one-shot pulse and a second one-shot pulse provided by an electronic circuit
Shawkat et al. A digital CMOS silicon photomultiplier using perimeter gated single photon avalanche diodes with asynchronous AER readout
ES2849224B2 (es) Fotomultiplicador digital de combinacion or de pulsos
US20230324522A1 (en) Clocked active quench/recharge and gain cell memory pixel
Shawkat et al. A CMOS perimeter gated SPAD based digital silicon photomultiplier with asynchronous AER readout for PET applications
Shamim et al. A CMOS perimeter gated SPAD based mini-digital silicon photomultiplier
Chitnis et al. Compact readout circuits for SPAD arrays
WO2021213608A1 (en) Multipurpose mixed-signal light sensor based on semiconductor avalanche photodiodes
Habib et al. A tunable single photon avalanche diode pixel with improved time resolution
JP7414306B2 (ja) ＳｉＰＭにおける光クロストーク効果の低減
Tisa et al. 100 kframe/s 8 bit monolithic single-photon imagers
Vilella et al. Readout schemes for low noise single-photon avalanche diodes fabricated in conventional HV-CMOS technologies
JPWO2022124019A5 (es)
US20240210241A1 (en) Recharge circuit for digital silicon photomultipliers
Braga et al. A mini-SiPM array for PET detectors implemented in 0.35-µm HV CMOS technology
WO2023203351A1 (en) Single photon avalanche diode macropixel
Pozas-Flores et al. Design of a smart SiPM based on focal-plane processing elements for improved spatial resolution in PET
Blanco et al. Silicon photomultiplier detector with multipurpose in-pixel electronics in standard CMOS technology
ES2348364T3 (es) Dispositivo de imágenes de recuento de fotones.

Legal Events

Date Code Title Description
BA2A Patent application published

Ref document number: 2849224

Country of ref document: ES

Kind code of ref document: A1

Effective date: 20210816

FG2A Definitive protection

Ref document number: 2849224

Country of ref document: ES

Kind code of ref document: B2

Effective date: 20220121