专利名称：一种单光子雪崩二极管探测器的电路仿真方法
技术领域：
本发明涉及单光子雪崩二极管探测器的一种电路仿真方法，该方法使用一种电路模型精确模拟了探测器对单个光子的探测行为，包括直流特性和交流特性。模型使用模拟硬件描述语言VerilOg-A实现，具有很好的通用性，可在通用的电路仿真器上与其他电子电路一起完成器件和电路的混合仿真。
背景技术：
单光子雪崩二极管(Single Photo Avalanche Diode,以下简称SPAD)是一种工作于盖革模式下的雪崩光电二极管。在盖革模式下，SPAD的外加工作电压高于雪崩电压阈值，当SPAD吸收光子后立即释放出电子-空穴对，电子和空穴在耗尽区的内建电场作用下加速，迅速获得足够的能量，从而与晶格发生碰撞并产生新的电子空穴对，这个过程形成一种连锁反应，最终产生类似雪崩倍增的现象，即由光吸收产生的一对电子空穴对可以形成大量的电子-空穴对而构成较大的二次光电流。SPAD具有非常高的内部增益，单个光子入射即可能引起类似雪崩的现象，实现对单光子的探测。因此，SPAD作为一种新型技术，由于能够实现对极微弱光信号的探测而倍受人们的关注。SPAD产生雪崩脉冲信号以后需要一个淬灭和复位电路迅速将雪崩现象淬灭同时将SPAD的偏置电压复位到雪崩电压以上，以便下一次的探测。为了能使SPAD与后续的淬灭和复位电路进行混合仿真，提高电路设计的准确性，需要为SPAD提供一个非常精确的电路仿真模型来模拟其各种行为。但是工艺线上并没有提供成熟的电路模型可直接调用，所以设计人员往往在涉及到相关的芯片设计时都使用一个等效电路进行替代。早期的模型只考虑了器件在雪崩时的直流特性，仿真精度较低，后来Zappa等人进一步考虑了器件的交流特性，提出了一个具有较高精度的SPICE模型，但该模型电路的结构复杂，其中很多元件参数都不容易确定，实际操作起来收敛性不好。因此，为单光子雪崩二极管提取一个结构简单、精确度高、能够直接在仿真器上使用的通用仿真模型是成功设计出单光子探测系统的前提。对于该模型的要求是:能准确模拟出SPAD器件的各种行为，尤其是SPAD的直流、交流特性，以及温度效应等影响。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提供一种单光子雪崩二极管探测器的电路仿真方法，首先为SPAD建立了一个完整的电路仿真模型，精确的描述了其直流、交流特性以及温度效应，模拟SPAD对单个光子的探测行为。然后该模型用硬件描述语言Verilog-A实现，在通用仿真器如Cadence上进行SPAD的电路仿真。技术方案:本发明的单光子雪崩二极管(SPAD)探测器的电路仿真模型，其电路结构由直流网络SRV与交流网络KAS并联构成。直流网络SRV由三条支路并联得到，每条支路都由一个开关S、一个电阻R和一个直流电压源V串联而成；交流网络KAS由三个电容Cka、Cks和Cas混联得到。
所述的直流网络SRV由器件阴极端口 K与阳极端口 A之间的三条支路并联而成。支路I由开关SFW、电阻Rfw和电压源Vfw串联，其中Vfw的正极与端口 A直接相连；支路2由开关SM、电阻Ram和电压源Vam串联，其中Vam的负极与端口 A直接相连；支路3由开关SeM、电阻Rta和电压源VeM串联，其中Vta的负极与端口 A直接相连。所以，直流网络SRV的电流值ISp￡ld由二条支路的电流值贡献得到，其计算方法是:
权利要求
1.一种单光子雪崩二极管探测器的电路仿真方法，其特征是:电路仿真模型结构由直流通路SRV和交流网络KAS并联组成；直流网络SRV由三条支路并联得到，每条支路都由一个开关S、一个电阻R和一个直流电压源V串联而成；交流网络KAS由三个电容即第一电容Cka、第二电容Cks和第三电容Cas混联得到；支路I由第一开关SFW、电阻Rfw和电压源Vfw串联，其中电压源Vfw的正极与端口 A直接相连；支路2由第二开关SAM、电阻Ram和电压源Vam串联，其中电压源Vam的负极与端口 A直接相连；支路3由第三开关SeM、电阻Rta和电压源Vgm串联，其中Vta的负极与端口 A直接相连；所述的交流网络KAS由器件阴极端口 K与阳极端口 A之间的第一电容Cka、第二电容Cks和第三电容Cas混联而成；第一电容Cka连接端口 K与端口 A，第二电容Cks连接端口 K与地信号，第三电容Cas连接端口 A与地信号。
2.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管探测器的电路仿真方法，其特征是:直流网络SRV的三条支路分别模拟单光子雪崩二极管SPAD的三种工作区间；由第一开关SFW、电阻Rfw和电压源Vfw串联的支路I模拟SPAD正向导通的工作区间，第一开关Sfw代表切换工作区间的条件，电阻Rfw模拟正向导通电阻，电压源Vfw模拟正向导通阈值电压，此时单光子雪崩二极管SPAD可视作一个普通的处于正向偏置状态的二极管；由第二开关Sam、电阻Ram和电压源Vam串联的支路2模拟单光子雪崩二极管SPAD反向偏置的工作区间，第二开关Sam代表切换至反偏状态，电阻Ram模拟反向饱和电阻，电压源Vam代表雪崩阈值，当反向偏置电压小于这个值时SPAD处于反向饱和状态，当反向偏置电压大于这个值时SPAD发生雪崩；由第三开关SeM、电阻Rm和电压源VeM串联的支路3模拟SPAD的二次击穿现象，第三开关Scm代表切换至二次击穿区，电压源VeM是SPAD所能承受的最大反偏电压值，当反偏电压Vta时会发生二次击穿，且这种击穿是不可逆的，会烧坏器件。
3.根据权利要求1所述的单光子雪崩二极管探测器的电路仿真方法，其特征是:交流网络KAS中，第一电容Cka模拟单光子雪崩二极管SPAD器件阴极K与阳极A之间耗尽层的电容值，第二电容Cks与第三电容Cas分别模拟阴极与衬底之间的电容和阳极与衬底间的电容，这三种电容主要影响着单光子雪崩二极管SPAD的交流小信号行为。
全文摘要
本发明提出了一种单光子雪崩二极管探测器的电路仿真方法，电路仿真模型结构由直流通路SRV和交流网络KAS并联组成；直流网络SRV由三条支路并联得到，每条支路都由一个开关S、一个电阻R和一个直流电压源V串联而成；首先为SPAD建立了一个完整的电路仿真模型，精确的描述了其直流、交流特性以及温度效应，模拟SPAD对单个光子的探测行为。然后该模型用硬件描述语言Verilog-A实现，在通用仿真器如Cadence上进行SPAD的电路仿真。该方法使用一种电路模型精确模拟了探测器对单个光子的探测行为，包括直流特性和交流特性。模型使用模拟硬件描述语言Verilog-A实现，具有很好的通用性，可在通用的电路仿真器上与其他电子电路一起完成器件和电路的混合仿真。
文档编号G06F19/00GK103116699SQ20131002787
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月24日 优先权日2013年1月24日
发明者徐跃, 赵菲菲, 岳恒 申请人:南京邮电大学