一种用于单光子雪崩二极管探测器的淬灭复位电路的制作方法

本发明针对单光子雪崩光电二极管探测器提出了一种可靠性高的淬灭复位电路和方法，属于单光子探测技术领域。

背景技术：

SPAD(SinglePhotonAvalanche Diode)即单光子雪崩光电二极管。在光电探测领域中，传统意义上的光电倍增管(PMT)已经不能满足于高速弱光条件下的探测，传统成像技术在成像速度和像素灵敏度方面受到了一定的限制，于是开始出现固态光电倍增管，即单光子雪崩二极管探测器。近年来，利用现在的标准CMOS工艺制造出高密度、高集成度的SPAD阵列探测器成为这种单光子雪崩二极管探测器的发展趋势。

一个SPAD像素单元包含两个电路，一个是淬灭复位电路，另一个是计数电路。当SPAD被淬灭后，其两端的偏置电压需要恢复到初始高偏压，等待下一次光子的到来，恢复SPAD两端偏压的过程称为复位。在传统的淬灭复位电路中，由于仅仅采用普通的反相器来感测雪崩电流，因此在复位回路中，很容易出现这样的情况：即在雪崩二极管两端的偏置电压下降到雪崩电压以下时，就被复位管将SPAD两端的偏压拉回到初始偏压，导致SPAD探测器并没有完全淬灭。如果延时电路的延迟时间没有设计的足够长，更容易产生这样的结果。因此，在SPAD的淬灭复位电路中，需要提高淬灭过程的稳定性。

技术实现要素：

针对传统的主动淬灭电路的淬灭过程容易失败的问题，本发明提出了一种可靠性高的淬灭复位电路，

具体的技术方案是一种用于单光子雪崩二极管探测器的淬灭复位电路，该复位电路包括以下3个部分：

(1)淬灭回路，由5个MOS管组成，分别是PMOS管MP9、MP13，NMOS管MN10、MN11、MN15，MN10为MOS二极管接法，即栅极与漏极接在一起，MP13和MN15的栅极接在一起，并直接连接到SPAD的阳极，即a节点，构成一个反相器，直接感测雪崩电流，其输出接MP9和MN11的栅极，当a节点为低电平时，反相器的输出m节点电位为高电平，PMOS管MP9断开，MN11导通，从而将a节点保持在低电平；当a节点为高电平时，m节点电位为低电平，PMOS管MP9导通，NMOS管MN11断开，从而将a节点保持在高电平，这5个MOS管构成了一个对a节点电压变化的正反馈电路。

(2)复位回路，由17个MOS管组成，其中包括一个施密特触发器，由PMOS管MP10、MP11、MP12，NMOS管MN12、MN13、MN14组成、一个延时电路，由PMOS管MP0、MP1、MP2、MP3、MP4，NMOS管MN0、MN1、MN2、MN3、MN4组成、一个复位管NMOS管MN9，施密特触发器的输入为SPAD探测器的阳极，直接感测雪崩电流的变化，施密特触发器的输出，即p节点，直接连接延时电路的输入，施密特触发器的输出电平的变化传递给延时电路，延时电路由反相器组成，信号经过延时电路传递给复位管NMOS管MN9的栅极，当a节点电位为高电平时，p节点电位通过施密特触发器变为低电平，reset节点电位经过延时电路变为高电平，于是将a节点电位拉低，进行复位操作；当a节点电位为低电平时，p节点电位通过施密特触发器变为高电平，reset节点电位经过延时电路变为低电平，复位管MN9断开，此时a节点电位保持为低电平。

(3)雪崩信号输出部分，由8个MOS管组成，其中包括一个或非门，由PMOS管MP5、MP6，NMOS管MN5、MN6组成、两个反相器，由PMOS管MP7、MP8，NMOS管MN7、MN8组成，或非门的两个输入分别为上述反相器延时电路的输入，即p节点和输出，即reset节点，这两个节点的信号经过或非门的处理就得到一个脉宽为延时电路时间差的一个脉冲信号，其比单独的p节点或reset节点的信号更窄，窄脉冲即q节点的信号再经过一级反相器的处理转化为r节点信号，再经过一级反相器就得到最终输出即out节点。

上述复位回路中的反相器可以是5、7、9级。

本发明的有益效果：

1.本发明的淬灭复位电路可靠性高：采用具有高阈值电平的施密特触发器，确保了SPAD探测器产生的雪崩电流被充分淬灭之后才进行复位操作。

2.本发明电路产生的雪崩脉冲波形质量高：通过一个或非门将雪崩信号变成窄脉冲，之后两级反相器将这窄脉冲整形之后作为最终输出雪崩脉冲，使得输出脉冲更加陡直，易于计数电路的处理。

附图说明

图1为本发明淬灭电路的电路图。

图2为本发明淬灭电路的仿真时间为5μs的结果图。

图3为本发明淬灭电路的图2的局部放大图。

图4为本发明淬灭电路对应的版图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明专利作进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明淬灭复位电路图。该电路由一个雪崩二极管SPAD、14个NMOS管和16个PMOS管构成，具体包括：NMOS管MN0、MN1、MN2、MN3、MN4、MN5、MN6、MN7、MN8、MN9、MN10、MN11、MN12、MN13，PMOS管MP0、MP1、MP2、MP3、MP4、MP5、MP6、MP7、MP8、MP9、MP10、MP11、MP12、MP13、MP14、MP15。其中SPAD的阴极(图1中为k节点)接偏置电压(Vbreak+Vex)；NMOS管MN9是复位管，其栅极接延时电路的输出(PMOS管MP0的漏极)，漏极接二极管SPAD的阳极(图1中为a节点)；NMOS管MN10的漏极和栅极连在一起，形成一个小电阻的MOS二极管的结构，为雪崩电流提供一个低阻通路；PMOS管MP9的源极接VDD，漏极接MN10的栅极；NMOS管MN11的漏极接MN10的源极，其栅极接PMOS管MP9的栅极；PMOS管MP13和NMOS管MN15构成一个低阈值的反相器。PMOS管MP10、MP11、MP12，NMOS管MN12、MN13、MN14构成了一个施密特触发器；NMOS管MN0、MN1、MN2、MN3、MN4，PMOS管MP0、MP1、MP2、MP3、MP4构成一个由反相器组成的延时电路，延时电路的输入为NMOS管MP4的栅极，在图中对应于p节点，延时电路的输出为PMOS管MP0的漏极，在图1中对应于reset节点；NMOS管MN5、MN6，PMOS管MP5、MP6构成一个或非门，与非门的两个输入节点分别为p节点和reset节点；NMOS管MN7，PMOS管MP7构成一个反相器，其输入为或非门的输出(图1中为q节点)；NMOS管MN8、PMOS管MP8构成最后一级反相器，其输入为前一级反相器的输出(图1中为r节点)，这两个反相器的作用是给输出的雪崩脉冲整形。

单光子雪崩二极管(SPAD)探测器被偏置在击穿电压以上(Vbreak+Vex)，此时处于改革模式。其中Vbreak为击穿电压，Vex为偏置电压超过雪崩电压的部分，通常称为过偏压。处于改革模式下的SPAD探测器一旦接受到光子(即使是单个光子)，感光区的载流子就会产生碰撞，从而在强电场的作用下发生雪崩现象。如果短时间内将SPAD的偏置电压降到击穿电压以下，雪崩过程就会终止，SPAD探测器被淬灭。

如图1所示，电路包括三个部分：淬灭回路(为正反馈回路)，复位回路(为负反馈回路)，雪崩脉冲输出信号处理部分。在初始状态，SPAD的阳极(图1中的a节点)处于0电位，p节点电位和m节点电位处于高电位，reset节点电位处于0电位。当SPAD探测器接收到光子时，会产生雪崩电流，有大量正电荷从SPAD的阴极(k节点)流向阳极(a节点)，于是a节点电位开始上升，当a节点电位上升到电源电压的一半时，由MP13和MN15组成的反相器的输出(m点)就开始由电源电压降低到0电位，即NMOS管MN9和MN11的栅极降低到0电位，MN11的栅极降低，使得MN11的沟道电阻增大，此时雪崩电流的泄放路径被阻挡住。此外，MP9的栅极电位降低导致MP9的沟道电阻降低，电流直接从MP9的源极(接电源电压)流到其漏极，促进了a节点电位迅速升高。于是电路能够在较短的时间内完成淬灭的过程。

关于复位回路，只有当a节点电位超过电源电压的一半并达到施密特反相器的上阈值(即SPAD的偏置电压达到雪崩电压以下)时，施密特触发器才开始启动，其输出(图1中为p节点)开始由高电平降低，即反相器延时电路(以下称为延时电路)的输入降低，由于延时电路是由奇数个反相器组成(5级反相器)，所以延时电路输出(图1中为reset节点)升高，即NMOS管MN9(复位管)的栅极电压升高，从而MN9导通，在二极管SPAD的阳极与地之间形成一个电流通路，于是a节点电位重新回到0电位，而此时施密特触发器的输出会升高，经过一个延时电路，NMOS管MN9的栅极变为低电平，复位管MN9断开。此时a节点电位保持为0电位，等待下一次光子信号的到来。

整个淬灭复位电路感应了雪崩电流之后，要将雪崩电流的信号输出到计数电路中去。本发明将输出延时电路的输入和输出节点通过输出支路进行处理，并得到最终的输出。输出支路包括1个或非门、2个反相器。q节点和reset节点作为或非门的两个输入端，于是得到一个窄脉冲，在经过两级反相器的整形，使得输出脉冲的上升和下降时间更短，波形更为理想，易于后续计数电路的处理。

为便于本领域技术人员理解本发明，现在提供一个具体实施实例：本发明基于中芯国际0.18μm的CMOS工艺对上述淬灭复位电路进行了仿真，仿真参数具体如下：电源电压为3.3V；本仿真采用的SPAD的VerilogA模型的雪崩击穿电压为12.2V，过偏压为2.1V，因此偏置电压为14.3V；光子脉冲用电压脉冲代替，脉冲宽度为100ps，脉冲周期为300ns。基于以上仿真参数，本发明进行了时长5us的仿真并得到如图2和图3所示的仿真结果图。图2中的横坐标为仿真时间，7个纵坐标分别为电路中的光子模拟脉冲信号(photon)和6个节点的电压信号，这6个电压信号依次为a节点、p节点、reset节点、q节点、r节点、out节点。从图2中可以看见，在没有光子脉冲到来的时候，SPAD二极管也会产生雪崩大电流，这是由于在SPAD的VerilogA模型中加入了一定的发生几率的暗计数和后脉冲的因子，这样的模型更加接近真实工艺制造出来的SPAD探测器。图3为图2的横坐标取419ns到438ns的局部放大图，详细地描述了本发明的淬灭复位电路的工作过程。从图3中可以看出，本发明的淬灭复位电路的死时间为14.2ns，施密特触发器在a节点电压上升到2.25V时才发生翻转，二极管两端的偏置电压已经低于12.05V，之后a节点电压继续上升，二极管两端电压继续下降，远低于击穿电压，说明SPAD探测器的大电流已经被充分淬灭。该施密特触发器在a节点电压降低到1.1V时，才发生翻转。从p节点和reset节点可以看出5级反相器延时电路所产生的平均延时为3.5ns。在这3.5ns的时间内，足够使得a节点电压继续爬升到较高的电压(SPAD探测器两端的偏置电压降低到偏置电压以下)。p节点和reset节点为输出级中的或门电路的两个输入端，或非门的输出节点为q节点。只有在或非门两个输入信号同时为0电位时，输出q节点才为高电平，其他输入状态对应的输出q节点都为0电位，节点q的仿真波形如图3的第5行所示。q节点的信号经过一个反相器传输到r节点，r节点的信号经过一个反相器传输到最终输出节点out的信号，于是在仿真图中，q节点的波形翻转后得到r节点的波形，r节点的波形翻转后得到out节点的波形。所以out节点的波形与q节点的波形同步变化，但是脉冲上升和下降的时间更短，波形更加理想。

图4为本发明的淬灭复位电路的版图设计，其中包括1个SPAD探测器、14个NMOS管和16个PMOS管。该SPAD探测器的直径为26μm，PMOS管MP0、MP1、MP2、MP3、MP4的宽度和长度分别为350nm和2μm；NMOS管MN0、MN1、MN2、MN3、MN4的宽度和长度分别为350nm和1.5μm；PMOS管MP5、MP6的宽度和长度分别为1μm和300nm；NMOS管MN5、MN6、MN7、MN8的宽度和长度分别为1μm和350nm；PMOS管MP7、MP8的宽度和长度分别为2μm和300nm；PMOS管MP9的宽度和长度分别为2μm和300nm；NMOS管MN9的宽度和长度分别为3μm和350nm；NMOS管MN10的宽度和长度分别为500nm和1μm；NMOS管MN11的宽度和长度分别为1μm和500nm；PMOS管MP10、MP11、MP12的宽度和长度分别为1μm和300nm；NMOS管MN12、MN13、MN14的宽度和长度分别为400nm和350nm；PMOS管MP13的宽度和长度分别为500nm和350nm；NMOS管MN15的宽度和长度分别为3μm和350nm；最终设计出来的淬灭复位电路的版图如图4所示。