[发明专利]一种负载可变的单光子雪崩光电二极管淬灭电路

说明书

一种负载可变的单光子雪崩光电二极管淬灭电路，属于半导体技术领域。当发生雪崩击穿时，大的雪崩电流将会在可变负载晶体管两端产生大压降，当高于定值时，逻辑控制电路侦测到SPAD阳极点A点电压，控制可变负载管关断，给保持电路一个电流脉冲信号；当单光子雪崩光电二极管检测到光子产生雪崩电流时，雪崩电流在可变负载管上产生压降，并将该电压作为逻辑控制电路的输入端电压，输出模块用于检测逻辑控制电路输出结果，并进行整形输出，保持电路用于接收逻辑控制电路输出结果，并产生一定延迟使得电流完全淬灭，复位开关在接收到保持电路发送的复位信号后快速复位。本发明减小了节点寄生电容，淬灭时间短，结构简单，有利于大规模阵列集成。

技术领域

本发明，具体提供一种单光子雪崩光电二极管成像器件的淬灭电路，实现对单光子雪崩光电二极管的雪崩大电流的快速淬灭。

背景技术

单光子探测技术是一种基于单光子的探测技术，与基于电荷耦合器件(ChargeCouple Device)和CMOS有源像元图像传感器(CMOS Active Pixel Sensor)的传统成像技术相比，具有探测灵敏度高、反应速度快、抗噪声能力强且易于大规模阵列集成，单光子探测器目前广泛应用于医疗诊断、天文观测、国防军事、光谱测量、量子电子学等领域。

基于半导体雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode)的单光子探测器是目前使用最多的单光子探测器件，虽然也存在其他类型的单光子探测技术，比如光电倍增管探测器，但其存在探测效率低、体积庞大等缺点，所以难以在实际应用中使用。相比较而言，基于雪崩光电二极管的单光子探测器具有量子效率高、功耗低、全固态、体积小、工作电压低、对磁场不敏感等优点。单光子雪崩光电二极管具有两种工作状态，一是线性模式，雪崩光电二极管工作在偏置电压低于反向击穿电压下，限于暗(背景)噪声等影响，这种工作状态下的雪崩光电二极管仅具有较小的雪崩增益，雪崩电流较小，且探测效率低，不具有单光子探测能力。二是盖革模式，雪崩光电二极管工作在偏置电压高于反向击穿电压下，这种工作状态下，过偏压会在雪崩倍增区形成强电场，当单光子入射产生载流子进入雪崩倍增区时，会以一定概率触发雪崩倍增效应，使单光子电流在皮秒量级时间内急剧上升到毫安量级大电流，产生易于侦测的电流脉冲。在这种工作模式下的能实现的单光子侦测的雪崩光电二极管被称为单光子雪崩光电二极管(Single Photo Avalanche Diode)。由于雪崩击穿是一个自我维持过程，如果不采取抑制措施，雪崩过程将会持续到器件损坏，为了使器件可以处于正常状态，必须有一种能良好控制单光子雪崩光电二极管SPAD偏置状态的淬火恢复电路，在单光子雪崩光电二极管SPAD发生雪崩后可以迅速使雪崩电流淬灭，并把单光子雪崩光电二极管SPAD迅速恢复到截止以及可以重新侦测入射光子的状态。因此，淬灭电路需要完成三个目标：能迅速侦测到雪崩电流的上升沿到达，并产生一个与雪崩信号同步的标准脉冲输出；侦测到雪崩电流信号后，可以产生一个关断信号，迅速降低单光子雪崩光电二极管SPAD两端的电压到雪崩电压以下，实现雪崩电流的淬灭；雪崩电流完全淬灭后，产生一个复位信号，使单光子雪崩光电二极管SPAD两端偏置电压能自动恢复到高于雪崩电压之上，可以侦测下一次光子到达。