基于失调控制差分放大结构的单光子雪崩二极管淬灭电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体技术领域，具体提供了一种基于失调控制差分放大结构的单光 子雪崩二极管淬灭电路，涉及光电探测技术领域中单光子雪崩二极管阵列型读出电路的接 口电路。
【背景技术】
[0002] 单光子探测技术能检测极弱的光信号，是近年来发展起来的一项新兴的探测技 术。单光子探测器广泛应用于非破坏性物质成分分析、生物发光及放射探测、天文高能物理 现象探测、激光三维成像、深空或自由空间通信以及量子保密通讯等。随着半导体光电探测 器工艺技术的发展，能探测微弱信号的雪崩光电二极管已达到单光子检测灵敏度的水平。
[0003] 用于单光子探测的雪崩光电二极管，通常称为单光子雪崩二极管（Single-Photon Avalanche Diode，SPAD)。为了检测单个光子，SPAD通常工作于盖革模式，即偏置在高于其 雪崩电压的工作点；此时，当单个光子进入SPAD时，会以一定的概率触发雪崩击穿，使电流 呈阶梯状的增加，在数十皮秒即上升到毫安量级，产生明显的电流脉冲。雪崩击穿是一种自 持行为，如果不采取抑制措施，雪崩过程将会持续直至器件损伤。为了使器件能够正常工 作，必须使用雪崩淬灭电路来停止雪崩过程并将偏置电压复位，使SPAD迅速恢复到截止以 及重新进入可以探测光子的状态。因此，淬灭电路需要完成四个作用：能迅速检测到雪崩电 流上升沿；产生一个与雪崩信号同步的标准脉冲输出；雪崩开始后，迅速降低SPAD两端电 压到雪崩电压以下来抑制雪崩，将SPAD关断；为进行下一次探测，使SPAD两端电压能自动 恢复到原工作电压。SPAD偏置和淬灭电路通常与门控技术相结合。
[0004] 目前单光子探测技术正在向集成化、微型化、阵列化、高时间分辨率的方向发展。 SPAD阵列化的应用也要求其后端的淬灭电路必须相应的阵列化，这对淬灭电路提出了更多 更高的要求：集成、微型、简单、低功耗、低噪声、高速检测。而目前的淬灭电路研宄从早期的 被动淬灭发展成主动淬灭，之后出现主被动混合式淬灭，一部分设计因为电路复杂、面积过 大而很少用于大规模阵列中，大部分研宄仅仅停留在不同工艺下的仿真验证阶段，或者基 于分立器件的实验验证阶段。近几年出现的负载可变淬灭电路因电路结构简单，适合集成 于大阵列应用，已有研宄将此类结构应用于32X32阵列的读出电路，且具有较理想的测试 结果。
[0005] 但是，本发明人经过研宄发现，上述结构普遍存在的问题是检测阈值较高，检测电 路的检测阈值必须大于NMOS管的开启电压，这会导致淬灭电路受SPAD偏置电压非线性效 应影响较大。因为考虑特定的SPAD其偏置电压的非线性效应：由于阵列规模的扩大，雪崩 电流在电源寄生内阻以及淬灭电路检测电阻上产生的压降造成SPAD PN结上反偏电压呈非 线性下降，使得触发的雪崩电流幅值无法满足高阈值检测要求。针对特定SPAD的这一特 性，一方面需要根据SPAD的偏压非线性效应选取合适的检测电阻，一般情况下检测电阻阻 值较小；另一方面要设计检测阈值较小（低于NMOS管开启电压）的检测电路，因为检测电 路的检测阈值越小，SPAD偏压非线性对检测造成的干扰越小；同时，阈值下限受噪声水平 限制。而传统的淬灭电路的检测阈值受MOS管开启电压的约束，无法实现低阈值检测。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术存在的淬灭电路的检测阈值较高，检测阈值必须大于NMOS管的开 启电压，从而会导致淬灭电路受SPAD偏置电压非线性效应影响较大的技术问题，本发明提 供一种基于失调控制差分放大结构的单光子雪崩二极管淬灭电路，打破了传统结构中淬灭 电路的检测阈值必须大于NMOS管开启电压的约束，实现了对亚毫安级雪崩电流的快速检 测。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] -种基于失调控制差分放大结构的单光子雪崩二极管淬灭电路，包括均与单光子 雪崩二极管P极连接的门控电路、快速复位电路、检测电阻、低压检测电路和快速淬灭电 路；其中，
[0009] 所述门控电路用于接收外部输入的门控使能信号，让其处于导通或关断状态； [0010] 所述快速复位电路用于所述门控电路处于关断状态的同时，接收外部输入的复位 信号让其处于导通状态，使所述单光子雪崩二极管P极电压为零并处于待检测状态；
[0011] 所述检测电阻用于当所述单光子雪崩二极管检测到光子产生雪崩电流时，雪崩电 流流经所述检测电阻并产生压降，并将该压降作为所述低压检测电路的输入端电压；
[0012] 所述低压检测电路采用基于失调控制的差分放大结构，用于感应输入端电压的变 化，当输入端电压大于所述低压检测电路的检测阈值时输出端信号变成低电平，控制所述 检测电阻关断同时使所述快速淬灭电路导通；
[0013] 所述快速淬灭电路用于其导通时加速淬灭过程，并让所述单光子雪崩二极管P极 电压很快拉到高电平，使雪崩电流被淬灭。
[0014] 本发明提供的基于失调控制差分放大结构的单光子雪崩二极管淬灭电路，通过调 节和改进电路内部的对称性，并引入人为控制失配，使只有所述低压检测电路正负输入之 差为一个固定值，即所述低压检测电路的检测阈值近似等于人为引入的失调电压时，所述 低压检测电路的输出端信号才变成低电平，而这个检测阈值是可以小于NMOS管的开启电 压的，因而实现了低压检测的目的，打破了传统结构中淬灭电路的检测阈值必须大于NMOS 管开启电压的约束，有效地减小了从光子到达到幅度检测器检测到电压信号所用的时间， 同时减小了 SPAD偏压非线性对检测造成的干扰；门控模式与主动淬灭相结合可以精确的 控制复位时间和淬灭时间，从而减小暗计数和后脉冲概率并提高SPAD的可靠性。
[0015] 进一步，所述门控电路为第一 PMOS管，所述第一 PMOS管的栅极与外部输入的门控 使能信号连接，源极与电源VDD连接，漏极与所述单光子雪崩二极管的P极连接。
[0016] 进一步，所述快速复位电路为第一 NMOS管，所述第一 NMOS管的栅极与外部输入的 复位信号连接，源极接地，漏极与所述单光子雪崩二极管的P极连接。
[0017] 进一步，所述检测电阻为第二NMOS管，所述第二NMOS管的栅极与所述低压检测电 路的输出端连接，源极接地，漏极与所述单光子雪崩二极管的P极连接。
[0018] 进一步，所述低压检测电路包括自偏置差分放大器和反相器，所述自偏置差分放 大器用于感应所述检测电阻上的压降Vinl，人为引入失调电压，实现低压检测；所述反相 器用于对所述自偏置差分放大器输出的V rat值进行整形后输出，以使得所述低压检测电路 的输出端信号为轨至轨输出。
[0019] 进一步，所述自偏置差分放大器由尾电流管、差分输入管和负载电流镜组成，所述 尾电流管为第二PMOS管，所述差分输入管包括第三PMOS管和第四PMOS管，所述负载电流 镜包括第三NMOS管和第四NMOS管；所述第二PMOS管的栅极与所述第三NMOS管和第四 NMOS管的栅极连接，源极与电源VDD连接，漏极与所述第三PMOS管和第四PMOS管的源极连 接；所述第三PMOS管的栅极作为所述低压检测电路的反向输入端与所述单光子雪崩二极 管的P极