一种应用于单光子探测器的淬灭和信号读取电路的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种应用于单光子探测器的淬灭和信号读取电路，包括应用于单光子雪崩二极管(SPAD)的淬灭电路和信号读取电路。该电路采用一种全新的光子计数技术，通过设定施加于MOSFET栅极上电压的周期性来控制单光子雪崩二极管的光子探测及读取周期。利用单光子雪崩二极管的反向电容特性，以及MOSFET的开关特性及关断状态下的大电阻特性，实现对雪崩二极管雪崩状态的淬灭和复位。利用一个MOSFET既实现雪崩二极管的雪崩状态的淬灭，又能够将雪崩二极管复位至初始状态，极大的简化了淬灭电路的复杂性，有利于实现单光子雪崩二极管的大规模集成，实现单光子级灵敏度的成像阵列。
【专利说明】—种应用于单光子探测器的淬灭和信号读取电路
【技术领域】
[0001]本发明是一种应用于单光子探测器的淬灭和信号读取电路，该电路能够快速实现对单光子雪崩二极管雪崩现象的淬灭，对其进行复位以及入射光子数的准确读出，并且单光子雪崩二极管的探测周期可控。整体的淬灭和信号读取电路简单，集成度高，可直接应用于标准的CMOS工艺，并利用现有的CMOS APS成像芯片的阵列架构形成大规模的成像探测阵列。
【背景技术】
[0002]成像技术是各行各业的“眼睛”技术。从六十年代至今，电荷耦合器件(CXD)和CMOS图像传感器(CMOS APS)作为主流的成像探测器技术，随着硅加工工艺水平的不断提高，获得了巨大的进步。然而，随着信息技术，特别是量子信息技术的飞速发展，传统的成像技术的局限性逐渐暴露出来。CCD与CMOS APS成像技术的成像速度和成像灵敏度由于其本身的工作机理限制，已经很难获得提高。而越来越多的领域需要探测和处理微弱的高频光信号，以及需要确定具体的光子数，单光子级别的光学信号探测已经成为国内外的研究热点。
[0003]单光子雪崩二极管(SPAD)自从被提出以来，就以其极快的响应速度和极高的灵敏度等特性，成为弱光探测和高速成像研究领域的一个热点技术。单光子雪崩二极管的简单结构实际上就是一个二极管，如图1所示，其工作电压在二极管PN结反向击穿电压以上，即盖革模式，所以器件中耗尽层电场很高，这个高电场足以使其中的载流子获得足够的能量，通过碰撞离化效应发生雪崩现象，产生一个大电流，从而将一个载流子放大到一个可观测的大电流。在盖革模式下，入射光进入耗尽区后，光子被半导体吸收，产生一个电子空穴对。电子和空穴在耗尽区强电场作用下加速获得足够的能量并与晶格碰撞产生另一对电子空穴对，如此反复进行下去，形成一个连锁反应，最终结果是将一个光子产生的电子空穴对放大到大量的电子空穴对，构成一个可观测的光电流，这就是PN结的雪崩现象。
[0004]单光子雪崩二极管在产生雪崩效应后，如果不进行遏制，二极管长时间处于大电流状态，容易烧毁器件，并且无法进行下一次探测。因此，需要额外的电路将这个大电流抑制下去，这就是淬灭电路的作用。有了淬灭电路的存在，盖革模式下的二极管探测光信号就会表现出一个个电流脉冲，在没有暗噪声的情况下，一个脉冲电流就代表一个光子信号。如果要进行高速的探测，就要求每一个电流脉冲的时间越短越好，这个脉冲时间主要就是由淬灭电路所决定，因此，为了使单光子雪崩二极管工作速度快，淬灭电路就需要特别的设计。
[0005]传统的淬灭电路分为主动式和被动式两种。被动模式的淬灭电路是在雪崩二极管上串联一个大电阻，如图2所示，通过串联分压的原理，在二极管雪崩状态下，雪崩电流在大电阻上产生一个电压降，使得二极管两端的电压降低至雪崩击穿电压以下，从而使雪崩现象停止。当电流逐渐减小时，大电阻两端的电压减小，而二极管两端的电压就逐渐恢复至初始状态，重新进行下一次探测。被动模式淬灭电路设计简单，但是淬灭和恢复时间较长，不利于高速探测的应用。在现代技术中，主动模式淬灭电路已经成为主要应用，其特点是淬灭和恢复时间比被动模式快，而且可控。图3所示为一种传统的主动模式淬灭电路，其设计相对复杂，而且由于电路占用更多的面积，导致探测器的占空比难以提高。
[0006]本发明提出的一种应用于单光子探测器的淬灭和信号读取电路，综合了被动模式和主动模式淬灭电路的优点，在确保探测器淬灭时间快速可调的同时，也极大的简化了电路的设计和复杂性，使电路所占面积大大缩小，提高了探测器的占空比，易于探测器的大规模集成，解决了现有技术中存在的问题和难点。
【发明内容】
[0007]本发明提供了一种应用于单光子雪崩探测器的淬灭和信号读取电路，用于单光子雪崩二极管探测光子信息并进行统计，分为淬灭与复位电路，信号读取电路。如图4，其基本电路结构构成为:雪崩二极管(SPAD)的阴极分别与N型晶体管MRS的源极和N型晶体管Ml的栅极相连，晶体管MRS的漏极接地，栅极施加一个周期性可控的周期电压；晶体管Ml与N型晶体管MSL共源极，Ml的漏极接地；晶体管MSL的漏极同公用输出信号线BL相连，栅极施加一个周期性的选择电压VSL ；晶体管M2为P型M0SFET，栅极接地，源极接VDD，漏极接公用信号BL ;公用信号线接入反相器的输入端。
[0008]本发明所述的应用于单光子探测器的淬灭和信号读取电路，相对于已有的各种电路技术，主要的有益效果是:(I)电路结构简单，电路部分占用面积小，有利于提高整个探测器的占空比；(2)响应速度快，探测周期可控；(3)有利于探测器的大规模集成。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]现将参照以下附图具体详细的说明本发明的主题，并清楚地理解本发明的有关电路结构和工作模式以及其目的、特征和优势:
[0010]图1是标准的单光子雪崩二极管(SPAD)的基本结构示意图。
[0011]图2是传统的被动淬灭电路结构示意图。
[0012]图3是传统的主动淬灭电路结构示意图。
[0013]图4是本发明的应用于单光子探测器的淬灭和信号读取电路。
[0014]图5是本发明的电路工作电压时序图。
[0015]图6时本发明电路构成的一个阵列示意图。
【具体实施方式】
[0016]在以下的详细说明中，将结合附图及实施例对本发明的工作原理和工作过程进行全面的理解。如前文所述，将理解如果将各个晶体管的类型对换(即N型晶体管替换为P型晶体管)，而操作电压进行适当的相反，则其不超过本发明的核心内涵。
[0017]图4是本发明的应用于单光子探测器的淬灭和信号读取电路的结构图，所述的淬灭和信号读取电路的具体构成是:雪崩二极管(SPAD)的阴极分别与N型晶体管MRS的源极和N型晶体管Ml的栅极相连，晶体管MRS的漏极接地，栅极施加一个周期性可控的周期电压；晶体管Ml与N型晶体管MSL共源极，Ml的漏极接地；晶体管MSL的漏极同公用输出信号线BL相连，栅极施加一个周期性的选择电压VSL ；晶体管M2为P型M0SFET，栅极接地，源极接VDD，漏极接公用信号BL ;公用信号线接入反相器的输入端。
[0018]所述的应用于单光子探测器的淬灭和信号读取电路的工作原理和工作过程如下:
[0019]如图5所示，雪崩二极管的阴极施加一个正电压VD，此电压比二极管PN结击穿电压高，使SPAD工作在盖革模式下。在N型晶体管MRS的栅极施加一个周期性可控的电压VRS，在低电平状态下，MRS处于关断状态，其相当于一个大电阻与SPAD，表现出一个被动淬灭电路。当一个光子入射进入到SPAD中，引发二极管PN结的雪崩现象，此时大电阻与SPAD相连的一端点位升高，将N型晶体管Ml打开，此时选择读取晶体管MSL栅极施加一个高电平，则反相器输入端处于低电平状态，输出端输出一个高电平，表不SPAD探测到一个光子信号。之后MRS栅极电压VRS转入高电平状态，MRS导通，将SPAD的阳极直接接地，使SPAD两端电压差恢复到初始状态，以便进行下一个周期的探测。
[0020]所述的淬灭和信号读取电路的工作周期可以通过改变MRS和MSL的栅极电压周期来调节，从而保证准备捕捉光子入射信号，并且有利于消除SPAD的后脉冲效应。
[0021]如图6所示，所述的淬灭和信号读取电路易于构成大规模探测器阵列，类似于成熟的CMOS APS成像阵列架构，采用共输出线BL结构，实现同行同步读取。
【权利要求】
1.一种应用于单光子探测器的淬灭和信号读取电路，所述的淬灭和信号读取电路的特征是:雪崩二极管(SPAD)的阴极分别与N型晶体管MRS的源极和N型晶体管Ml的栅极相连，晶体管MRS的漏极接地，栅极施加一个周期性可控的周期电压；晶体管Ml与N型晶体管MSL共源极，Ml的漏极接地；晶体管MSL的漏极同公用输出信号线BL相连，栅极施加一个周期性的选择电压VSL ；晶体管M2为P型MOSFET，栅极接地，源极接VDD，漏极接公用信号BL ；公用信号线接入反相器的输入端。
2.根据权利要求1所述的淬灭和信号读取电路，其特征在于，雪崩二极管的阴极施加一个正电压VD，此电压比二极管PN结击穿电压高，使SPAD工作在盖革模式下。在N型晶体管MRS的栅极施加一个周期性可控的电压VRS，在低电平状态下，MRS处于关断状态，其相当于一个大电阻与SPAD，表现出一个被动淬灭电路。当一个光子入射进入到SPAD中，弓丨发二极管PN结的雪崩现象，此时大电阻与SPAD相连的一端点位升高，将N型晶体管Ml打开，此时选择读取晶体管MSL栅极施加一个高电平，则反相器输入端处于低电平状态，输出端输出一个高电平，表示SPAD探测到一个光子信号。之后MRS栅极电压VRS转入高电平状态，MRS导通，将SPAD的阳极直接接地，使SPAD两端电压差恢复到初始状态，以便进行下一个周期的探测。
3.根据权利要求1和2所述的应用与单光子探测器的淬灭和信号读取电路，其特征在于，施加于MRS和MSL的栅极电压周期性可调。
【文档编号】H04N5/378GK103780852SQ201410051709
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年2月17日 优先权日:2014年2月17日
【发明者】卜晓峰, 朱小茅, 吴俊辉 申请人:苏州超锐微电子有限公司