一种负载可变的单光子雪崩光电二极管淬灭电路的制作方法

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(chargecoupledevice)和cmos有源像元图像传感器(cmosactivepixelsensor)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(avalanchephotodiode)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(singlephotoavalanchediode)。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。

一个高性能的单光子探测系统一般具有电路集成度高、时间分辨率高、阵列化程度高等优点，单光子雪崩光电二极管spad器件阵列化的应用对后端淬灭电路也提出新的要求：集成、微型、简单、功耗低、高速检测。传统的淬灭电路一般分为被动式和主动式两种，被动式淬灭是在雪崩光电二极管的阳极串联一个大电阻，这样在雪崩情形下，雪崩电流将在大电阻两端产生一个大压降，从而达到关断雪崩光电二极管、淬灭雪崩电流的目的，这种淬灭电路优点在于结构简单，增大电阻可以实现快速淬灭目的，但大电阻占用面积太大，且复位时间太长。而之后的淬灭电路的研究从早期的被动淬灭发展成主动淬灭，但是一部分设计电路过于复杂、面积过大很少应用到大规模阵列中，在单光子雪崩光电二极管spad探测阵列中，分辨率由像素间的间距决定，即单位面积的像素单元越多，分辨率越高，成像效果越清晰，所以要提高像素单元的填充效率，因此淬灭电路的像素单元面积受到严格的限制。另一方面大规模阵列应用中，像素电路的数量成倍增加，单个像素单元的功耗增加将会增加整个探测阵列静态电流，大的静态电流将在芯片内部引起工作电压的跌落，导致内部工作电压的不均匀跌落，过于复杂的电路结构明显不适合大规模阵列的集成。

综上所诉，为了一个高性能的单光子雪崩光电二极管探测器设计一个响应速度快、结构紧凑简单、集成程度高的淬灭电路十分必要。对该电路的要求：高速的单光子探测要求淬灭在几个纳秒内完成；另外大阵列应用的不均匀性、噪声、光学串扰及后脉冲等影响与雪崩光电二极管产生的雪崩电荷数量相关，因此淬灭电路的负载电容应该尽可能小。

技术实现要素：

针对现有的淬灭电路存在的被动淬灭电路的大电阻占用大的版图面积，恢复时间太长，并且所有像素的瞬态启动会产生较大的静态电流，而较大的静态电流会在大负载电阻两端产生很大的电压降，增加瞬态功耗；主动淬灭电路结构复杂、面积过大、节点寄生电容太大，不利于阵列集成等问题，结合主被动淬灭电路的优点，改进两种电路结构存在的不足，提供了一种减小节点寄生电容、淬灭时间短的负载可变的淬灭电路。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种负载可变的单光子雪崩光电二极管淬灭电路，包括第一nmos管m1、第二nmos管m2、第三nmos管m3、第四nmos管m4、电阻r1、反相器inv1和保持电路；

第一nmos管m1的栅极接保持电路的输出端，其漏极接第二nmos管m2和第三nmos管m3的漏极以及单光子雪崩光电二极管spad的阳极；

第四nmos管m4的栅极接第三nmos管m3的源极，其漏极通过电阻r1后连接电源电压vdd，

第四nmos管m4的漏极输出雪崩电流脉冲信号outb到反相器inv1的输入端、保持电路的输入端和第二nmos管m2的栅极，反相器inv1的输出端为该负载可变的单光子雪崩光电二极管淬灭电路的输出端输出雪崩电流脉冲信号outb的数字信号；

第一nmos管m1、第二nmos管m2和第四nmos管m4的源极接地gnd，第三nmos管m3的栅极接电源电压vdd；

所述保持电路用于产生延后于雪崩电流脉冲信号outb的复位信号rec。

具体的，所述的保持电路包括第五nmos管mn5、第六nmos管mn6、第七nmos管mn7、第一pmos管mp1、第二pmos管mp2和第三pmos管mp3，

第五nmos管mn5和第一pmos管mp1的栅极互连并作为所述保持电路的输入端，其漏极互连并连接第六nmos管mn6和第二pmos管mp2的栅极；

第七nmos管mn7和第三pmos管mp3的栅极互连并连接第六nmos管mn6和第二pmos管mp2的漏极，其漏极互连作为保持电路的输出端输出复位信号rec；

第五nmos管mn5、第六nmos管mn6和第七nmos管mn7的源极接地gnd，第一pmos管mp1、第二pmos管mp2和第三pmos管mp3的源极接电源电压vdd。

具体的，单光子雪崩光电二极管spad的阴极电压为该单光子雪崩光电二极管spad的雪崩电压vbreak加上额外的电压ve，由于该单光子雪崩光电二极管spad探测时需要工作在盖革模式，即工作在雪崩电压vbreak以上。

本发明的有益效果：1、与传统被动淬灭电路相比，应用负载可变的第二nmos管m2替代大电阻，节省了版图面积、提高了像素单元的填充系数。首先，由于单光子雪崩光电二极管spad阳极点a点处于低电位，负载晶体管即第二nmos管m2工作在深线性状态，起到大电阻作用，很小的电流就可以在产生一个较大的压降；较大的压降通过逻辑控制电路输出低电平到第二nmos管m2栅极，第二nmos管m2截止，此时第二nmos管m2相当于一个阻值无穷大的电阻，完全淬灭雪崩电流，而普通电阻在淬灭后，由于单光子雪崩光电二极管spad阳极点a点处于高电位，依然存在电流，导致雪崩电流淬灭不完全。2、传输管第三nmos管m3的引入，减小了单光子雪崩光电二极管spad阳极点a点的负载电容，第三nmos管m3避免将后端控制电路的寄生电容引入节点a，而a节点负载电容的减小，一方面有利于减小淬灭时间，另一方面有利于减小噪声、串扰等影响。3、该淬灭电路结构简单，有利于大规模阵列集成。

附图说明

图1为本发明电路结构原理图；

图2为本发明提供的一种负载可变的单光子雪崩光电二极管淬灭电路示意图；

图3为本发明电路中提供复位信号rec的保持电路示意图；

图4为本发明提供的一种负载可变的单光子雪崩光电二极管淬灭电路时序图。

具体实施方式

下面结合具体图示，对本发明的工作原理及工作过程进行进一步的详细说明。

本发明提供了一种应用于单光子雪崩光电二极管的负载可变的紧凑型检测淬灭电路，用于spad探测光子信息并进行统计，能够减小寄生电容，且淬灭时间短。如图1所示为本发明的结构原理图，本发明包括均与单光子雪崩光电二极管(spad)阳极连接的逻辑控制电路、复位开关和可变负载，以及与逻辑控制输出端连接的输出模块；保持电路的输入端连接控制逻辑电路输出端，保持电路的输出端控制复位开关。所述逻辑控制电路用于检测单光子雪崩光电二极管spad阳极点a点的电压大小，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单光子雪崩光电二极管spad阳极点a点电压，并通过逻辑控制可变负载晶体管关断，给保持电路一个电流脉冲信号。可变负载晶体管用于当所述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晶体管上产生压降，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模块输出结果，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，防止过早的复位带来的后脉冲效应，影响探测精度与效率，复位开关在接收到保持电路发送的复位信号后快速复位。

如图2所示为本发明提供的负载可变的单光子雪崩光电二极管淬灭电路的具体电路图，包括第一nmos管m1、第二nmos管m2、第三nmos管m3、第四nmos管m4、电阻r1、反相器inv1和保持电路，所述保持电路用于产生延后于雪崩电流脉冲的复位信号rec；第一nmos管m1的栅极接保持电路输出的复位信号rec，其漏极接第二nmos管m2和第三nmos管m3的漏极以及单光子雪崩光电二极管spad的阳极；第四nmos管m4的栅极接第三nmos管m3的源极，其漏极通过电阻r1后连接电源电压vdd，第四nmos管m4的漏极输出雪崩电流脉冲信号outb到反相器inv1的输入端、保持电路的输入端和第二nmos管m2的栅极，反相器inv1的输出端为该负载可变的单光子雪崩光电二极管淬灭电路的输出端输出雪崩电流脉冲信号outb的数字信号；第一nmos管m1、第二nmos管m2和第四nmos管m4的源极接地gnd，第三nmos管m3的栅极接电源电压vdd。第一nmos管m1表示图1中的复位开关，第二nmos管m2表示图1中的可变负载晶体管，第三nmos管、第四nmos管m4和电阻r1构成图1中的逻辑控制模块，反相器inv1表示图1中的输出模块。

如图3所示为保持电路的示意图，包括第五nmos管mn5、第六nmos管mn6、第七nmos管mn7、第一pmos管mp1、第二pmos管mp2和第三pmos管mp3，第五nmos管mn5和第一pmos管mp1的栅极互连并连接雪崩电流脉冲信号outb，其漏极互连并连接第六nmos管mn6和第二pmos管mp2的栅极；第七nmos管mn7和第三pmos管mp3的栅极互连并连接第六nmos管mn6和第二pmos管mp2的漏极，其漏极互连作为保持电路的输出端输出复位信号rec；第五nmos管mn5、第六nmos管mn6和第七nmos管mn7的源极接地gnd，第一pmos管mp1、第二pmos管mp2和第三pmos管mp3的源极接电源电压vdd。

本发明提供的负载可变的单光子雪崩光电二极管淬灭电路，通过在单光子雪崩光电二极管spad阳极点到比较器之间引入传输门，减小了加载在单光子雪崩光电二极管spad阳极点处的负载电容，单光子雪崩光电二极管spad的噪声、串扰、后脉冲等影响都与单光子雪崩光电二极管spad的负载电容有关，所以减小单光子雪崩光电二极管spad的负载电容可以有效减小这些不利影响。另一方面单光子雪崩光电二极管spad的淬灭时间τ也与单光子雪崩光电二极管spad阳极负载电容有关，τ＝rspad·ctot，其中rspad是单光子雪崩光电二极管spad反向击穿时的体电阻，ctot是单光子雪崩光电二极管spad阳极点处的负载电容，ctot主要有单光子雪崩光电二极管spad的结电容cd、单光子雪崩光电二极管spad阳极与漂移区以及衬底间的离散电容cp以及与阳极点连接的各个晶体管寄生电容cmos，传输门的引入可以有效减小与阳极点连接的各个晶体管寄生电容cmos的大小，进而减小单光子雪崩光电二极管spad阳极点a点处的负载电容ctot的大小。

一般的阵列式淬灭电路主要采取反相器对雪崩电流进行检测，而在雪崩电流的检测过程中只需要对单光子雪崩光电二极管spad阳极点a点的上升电压进行检测。本发明中用一个单管放大器(即第四nmos管m4和电阻r1)替代反相器做控制逻辑电路，理论上单个nmos管相比于普通反相器带来的寄生电容更低，对雪崩电流的侦测更加迅速，可以进一步提高系统的检测速度。另一方面，单个nmos管相比反相器具有更低的检测阈值，十分有利于提高检测精度。单个nmos管的翻转阈值v′m等于nmos管的阈值电压vtn，而反相器阈值vm则可以表示为：其中kn＝μncox(w/l)n，kp＝μpcox(w/l)p，μn和μp分别为nmos管和pmos管的电子迁移率，cox为单位面积的栅氧化层电容，(w/l)n和(w/l)p分别为nmos管和pmos管的宽长比，vtn和vtp分别为nmos管和pmos管的阈值电压，vdd为电源电压。而从上述公式可以明显看出反相器的翻转阈值大于单管放大器的翻转阈值。

下面结合图2和图4说明本发明淬灭电路的工作过程：

1.在待测阶段，单光子雪崩光电二极管spad工作在开路状态，处于待测光子阶段，而单光子雪崩光电二极管spad阳极点a点处电压处于低电位，第四nmos管m4处于关断状态，所以输出的雪崩电流脉冲信号outb处于高电位，高电位的outb信号打开第二nmos管m2，维持单光子雪崩光电二极管spad阳极点a的电位于地，此时第二nmos管m2工作在深线性区，起一个大电阻作用。

2.当一个光子入射激发单光子雪崩光电二极管spad发生雪崩倍增，雪崩电流流过工作在深线性区的负载管第二nmos管m2，迅速提高单光子雪崩光电二极管spad阳极点a点处的电位，通过传输管第三nmos管m3，该雪崩电流脉冲信号打开第四nmos管m4，迅速拉低输出的雪崩电流脉冲信号outb到地，最终负载管第二nmos管m2关断，因此主动淬灭了单光子雪崩光电二极管spad的雪崩电流。雪崩电流脉冲信号outb通过一个反相器inv1进行整形输出，输出一个标准数字信号out。

3.淬灭完成后，雪崩电流脉冲信号outb通过一个保持电路输出一个复位信号rec打开复位管第一nmos管m1，将单光子雪崩光电二极管spad阳极点a处的电位迅速拉低到地，使雪崩电流脉冲信号spad再次复位到待测状态，等待下次光子入射。为了防止淬灭不完全，复位过程中引入后脉冲现象，影响单光子雪崩光电二极管探测器的成像精度，复位信号rec因延迟于淬灭时间，等待完全淬灭后在进行复位。

在一个完整的工作周期内，第二nmos管m2的导通电阻一直变化，所以可以看成一个大小可以变化的负载电阻。

以上所述为发明的优选实施方式，本发明的使用并不局限于该实施方式，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。