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基于
CMOS
工艺<
/p>
SPAD
的
单光子探测技术研究
重庆大学硕士学位论文
(
学术学位
)
学生姓名：闫旭亮
指导教师：孟丽娅
副教授
专
业：仪器科学与技术
学科门类：工
学
重庆大学光电工程学院
二
O
一五年五月
1
中央高校科研基本业务费资助项目
(CDJZR1212000
1)
Study on single-photon
detector Based on
CMOS Technology
Single-Photon Avalanche
Diode
A Thesis
Submitted to Chongqing University
In
Partial Fulfillment of the Requirement for the
Master’s Degree of
Engineering
By
Yan Xuliang
Supervised by Associate Prof. Meng Liya
Specialty: Instrument
Science and Technology
College of Optoelectronic
Engineering
of
Chongqing
University, Chongqing, China
May, 2015
2
Supported by CDJZR(No.12120001)
中文摘要
摘
要
光在极其微弱时会离散成一个个的光子，称为单光子。单光子信号由于强度
< br>微弱且粒子性显著，常规技术难以对其检测，被认为是光电探测技术的极限。同
时
单光子信号又是一种普遍存在的信息载体，在日常生活、工业生产、科学研究
以及国防军
事等各方面都有着广泛应用，因而近年来受到研究人员重视。
单光子探测技术主要体现在以下几方面：有极高增益的单光子探测器件，控
制单光子探测
器件并对信号进行处理的快速电路，器件和电路的集成技术，大规
模像元阵列的制作及拼
接。目前在单光子探测方面亟待解决的问题有：单光子探
测器工艺复杂、工作电压高、价
格昂贵、重复性差，外围电路响应速度慢、版图
面积大，对单光子探测器和相关电路的混
合拼接易导致性能下降、噪声变大。
为解决上述问题，
本文在中央高校基本业务费资助项目
(NO.12120001)
支持下，
对单光子探测技术进行了研究。文章选用实验室设计的带保
护环结构的
CMOS
工
艺兼容的雪崩光
电二极管作为单光子探测器件，对雪崩光电二极管的工作原理和
相关参数进行了介绍。用
等效电路模型代替雪崩光电二极管在软件中进行仿真，
分析比较了雪崩光电二极管的三种
淬灭模式，选择主动淬灭电路控制雪崩光电二
极管，用高速电压比较电路作为雪崩信号甄
别电路，设计了数字和模拟结构的计
数电路。在此基础上完成了单光子探测像元电路，包
括雪崩光电二极管等效电路、
淬灭复位电路、雪崩信号甄别电路、光子计数电路等。仿真
结果显示电路探测速
度可达
5ns
，淬
灭电路死时间约
2.690ns
，从光子信号进入到计数完成整
体电路传
输延时约
3.0572ns
，
计数电路在线性模式下的计数容量为
55
。此外，还对时间相<
/p>
关单光子计数的原理和基本电路结构进行介绍，用高速电压比较电路进行光子到
达定时，阐述几种时间数字转化技术，设计了基于
S-R
< br>锁存器的时间放大电路和
基于电流偏置比例的时间放大电路。
关键词
：单光子探测，雪崩光
电二极管，光子计数，时间相关单光子计数
I
重庆大学硕士学位论文
II
英文摘要
ABSTRACT
Optical signals will disperse into
photons when it is extremely
weak
，
be called as
single-photon
signal
．
As its weak intensity
and significant
particles
，
Single-photon is
hard
to
detect
by
conventional
means
testing
and
considered
to
be
the
limit
of
the
photoelectric
detection
technology
< br>．
But
，
single-
photon
as
a
kind
of
widespread
information carrier has been highly
regard and widely applied in the daily
life
，
industrial
p
roduction
，
scientific
research and military areas
．
Single-photon
detection
technology
is
mainly
manifested
in
the
following
respects
：
single photon detector with a very high
gain
，
extremely fast circuits
to control
the single-photon detector
and processing
single
，
integration of
devices and circuits
，
accomplishing large-scale
array
．
There are a series of
problems to be solved in practical
application
．
The
characteristic of single-photon detector is poor
in technology
，
working
voltage
，
price
，
repeatability
．
C
ircuits work slow and take much
layout
．
The hybird
integration
of
devices
and
circuits
easily
lead
to
performance
degradation
and
noise
enhancement
．
This article with support of the
central colleges and universities scientific
research
basic business finding
researched single-photon detection technology to
solve the above
problems
．
The
paper put forward to use CMOS technology avalanche
photodiode with
protection
ring
as
single-
photon
detector
and
introduced
its
working
principle
and
characteristic
parameters
．
The
paper
used
the
equivalent
circuit
model
instead
of
avalanche
photodiode
in
the
circuit
simulation
，
compared
three
kinds
of
quenching
model and selected
active quenching circuit controlling avalanche
photodiode
，
designed
high speed voltage comparsion circuit
screening avalanche
signal
，
planned two counting
circuit
．
As an
important work
，
we
constructed an complete pixel
circuit
，
including the
equivalent
circuit
of
avalanche
photodiode
，
the
quenching
and
resetting
circuit,
avalanche signal discrimination
circuit
，
photon counting circ
uit
，
etc
．
The simulation
results show that the
minimum detection time is
5ns
，
dead time of quenching
circuit is
approximately 2.690
ns
，
the time from photon into
detector to accomplish counting last
3.0572
ns
，
counting in linear mode
range from 0 to55
．
In
addition
，
paper introduced
the
principle and circuit structure of
time correlated single photon
counting
，
applied voltage
comparator
defining
time
of
photon
arriving
，
stated
several
typical
kinds
of
time
to
digital
conver
ter
，
designed
two
types
time
amplifier
circuit
based
on
S-R
lanch
and
III
重庆大学硕士学位论文
current bias
ratio
．
Keywords
: single-photon
detector
，
avalanche
photodiode
，
photon
counting
，
TCSPC
IV
目
录
目
录
中文摘要
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I
英文摘要
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III
1
绪论
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1
1.1
引言
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1.2
单光子探测技术
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1
1.3
国内外研究现状
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1.4
课题主要工作和内容安排
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6
2
单光子探测技术的基本理论与方法
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7
2.1 SPAD
介绍
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2.1.1 SPAD
工作原理
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2.1.2
SPAD
主要参数
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2.1.3 SPAD
工艺与结构
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9
2.2 SPAD
等效电路模型
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1
22
2.2.1 <
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简单
SPAD
等效电路
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13
2.2.2
SPAD SPICE
仿真模型
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14
2.3 SPAD
淬灭方式
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17
2.3.1
被动淬灭
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17
2.3.2
主动淬灭
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20
2.3.3
门控脉冲淬灭
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21
2.4
小结
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单光子探测电路设计
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23
3.1
整体电
路结构
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23
3.2
淬灭电路设计及仿真
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23
3.2.1
淬灭电路基本结构
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3.2.2
延时电路
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26
3.2.3
淬灭
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复位电路
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28
3.3
信号甄别
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30
3.4
计数电路
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33
3.4.1
数字计数电路
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33
3.4.2
模拟计数电路
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35
3.5
单光子探测计数电路
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39
V
重庆大学硕士学位论文
3.6
小结
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41
4
时间相关单光子计数
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43
4.1
基本理论
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4.2
时间数字转换
(TDC)
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4.2.1
计数器型
TDC
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4.2.2
基于电容的
TDC
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4.2.3
基于延时单元的
TDC
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时间放大
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4.3.1
基于
SR
锁存器的
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4.3.2
基于电流偏置比例的
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49
4.4
小结
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5
论文总结
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53
致
谢
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55
参考文献
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57
附
录
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61
A.
作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
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61
VI
1
绪论
1
绪论
1.1
引言
21
世纪是信息社会，信息的获取、传输、处理至关重要，人类主要通过视觉、
听觉、嗅觉、味觉、触觉等方式感受外界信息，由于图像信息直观、内容丰富、
易处理，因而大部分情况下人们都通过图像来感受、描述和存储信息。随着社会
的发展、科技的进步，人类发明制造了各种工具来帮助自己更好的获取图像信息，
早期主
要是一些简单的光学器件，如凸透镜、凹透镜、折射镜、棱镜等等。随着
集成电路设计水
平和半导体加工技术的发展，人们得以通过光电探测器和相关电
路得到更多复杂情况下图
像信息。目前常规的光学成像技术已经较为成熟，但针
对极微弱光的探测技术才刚刚起步
，有待于进一步提高。普通的光源以光强为计
量单位，当光的强度衰减到一定程度，就会
离散成一个个的光子，这就是单光子
源。单光子源作为一种极微弱光，被认为是光电探测
技术的极限，在日常生活、
工业生产、科学研究、国防军事等方面，单光子都作为一种重
要的信息载体供人
们挖掘和应用。
单
光子是极微弱的光信号，在普通光电探测器件中产生的信号信噪比远小于
1
，难以提取有效信号，因此需要选用合适的单光子探测器通过特殊方法对单光子
进行探测。对单光子进行探测是一项很有意义的微弱光信号探测技术，国内外科
研人员
已在该领域投入了大量的精力研究，应用主要集中在天文观测、高超音速
飞行器探测预警
、国土安全与监视、大气测污、远程激光测距、远程激光三维成
像、水下目标探测、弱光
波前传感、生物波导探测、粒子物理学、星地与星际激
光通信、量子加密和荧光寿命成像
等领域
[1-10]
。
单光子探测系统主要有两个部分，一是有极高增益的光电转换器件，可以感
应
单光子信号并将其转换为一个较大的电信号，如雪崩光电二极管、光电倍增管、
CCD<
/p>
相机等；二是具有极高时间分辨率的外围电路，如淬灭复位电路、信号处理
电路、计数电路等等。本文针对可用于生物医学荧光寿命成像的单光子雪崩二极
管成像技术进行探究，提出初步方案，包括雪崩二极管的等效电路模型、淬灭复
位电路、
信号甄别电路、计数电路、时间放大电路等部分。
1.2
单光子探测技术
根据被测光强度和对信号记录方式的不同，可把对光信号的探测分为两种：
模拟探测模式和单光子计数模式
[11]
。模拟探测模式是响应
光信号后对能量进行叠
加，输出信号反映的是入射光光强。单光子计数模式是将光信号看
作一个个的光
1
重庆大学硕士学位论文
子，每个光子
产生一个信号，在一定时间内对信号数目进行统计，输出结果是被
测光的光子个数。
一般而言模拟探测模式的探测系统结构简单，但是在测量极微弱信
号时信噪
比远小于
1
，有效信号难以提
取，因而主要用于较强光信号的测量。单光子计数模
式针对的是极微弱光信号，这样的光
信号已经离散成一个个的光子、更多体现的
是粒子性，通过信号甄别电路提取有效信号、
再用计数电路统计信号数目统计，
就能实现对微弱信号的探测。单光子计数技术的典型结
构如图
1.1
所示：
图
1.1
单光子计数装置结构
Fig.1.1
Process diagram of single-photon counting
要对光信号进行探测，首先要选择合适的感光元器件，通过光
电效应、光电
导效应、光伏效应和光电热效应等实现光电信号的转换
[12]
。目前主流的单光子探
测器件主要有光电倍增管<
/p>
(photomultiplier
tube
< br>，
PMT)
、微通道板
(Mic
rochannel
Plate
，
M
CP)
、电荷耦合器件
(Charge
Coupled
Device
，
CCD)
、单光子雪崩二极管
(Singl
e Photon Avalanche Diode
，
SPA
D)
等，
主要的考虑因素有增益、
噪声
、
灵敏度、
工作电压、响应范围、响应速度、空间分辨率、量子
效率、成本等
[13]
。
光电倍增管是一种基于光电效应和二次电子发射效应的真空光电转换器件
[
14]
，其基本工作原理是光阴极在吸收入射光子后向真空发射光电子，具有高电场
的二次倍增系统对光电子加速使其获得很高的能量，当光电子聚焦在第一次级时
就能冲击次级产生更多的电子，然后这些电子再被加速，聚焦于第二次级，一般
会进行
10
次以上这样的倍增，最后在电位很高的阳极收集电
子，增益可达到
10
8
。
光电倍增管具有增益高、暗电流低、灵敏度高、光谱响应范围大、响应时间快等
优点，因而得到广泛应用。但是其复杂的结构和庞大的体积会导致像元感光面积
相对减
小，而且成本高、供电电源高
(
约
10
00V)
，工作时往往需要额外的光学器件
滤除光源信号以避免
探测器饱和，限制了进一步发展
[15]
。
微通道板是一种特殊的二维光学纤维器件，可探测紫外光、
X
射线、
γ
射线、
< br>电子、离子等多种信号
[16]
，工作原理与光电倍增管
类似，也同样具备增益高、噪
声低、时间分辨率高等优点，而且体积小、易生成大面阵、
抗辐射能力强。但是
微通道板同样工作在高真空和高电压下，导致其结构复杂、成本高。
微通道板自
身的响应速度很快，但工作时需要
CCD
器件成像，而
CCD
的读出速度对于单光
2
1
绪论
子探测而言太慢。基于这些特点
，微通道板常用一般用在高能物理、天文观测和
空间探测领域。
普通的
CCD
没有内部增益，但是一些
经过特殊处理的
CCD
也可以用作单光
子
探
测
，
如<
/p>
电
子
轰
击
CCD(EBCCD)
、
电
< br>子
倍
增
CCD(EMCCD)<
/p>
和
增
强
型
CCD(ICCD)
[17]
。
EBCCD
在其
CCD
背面
较薄时拥有低噪声、高增益、高分辨率的
特性，但是结构复杂、寿命有限、价格昂贵等缺
点限制了其应用。
EMCCD
的优点
是
高增益、高空间分辨率，但是响应时间太慢
(
毫秒级
)
，且暗电流噪声不易抑制。
ICCD
的时间分辨率高、信号放大能力强，但是空间分辨率和量子效率都不理想，
而且价格昂贵
[18]
。
空
间
时间
图
1.2
SPAD
雪崩过程示意图
Fig.1.2 Diagram of SPAD
avalanche
．
单光子雪崩二极管
(Single
Photon
Avalanche
Diode
，
SPAD)
就是工作在特
殊状
态、可以进行单光子探测的雪崩光电二极管
(Avalan
che
Photo
Diode
，<
/p>
APD)
。给雪
崩光电二极管加上一定的
反向偏压，携带能量的光子射入
P-N
结，会把能量传递
给共价键上的电子，使电子挣脱共价键形成电子
-
空穴对，也称为光生载流子。若
反向偏压足够大，耗尽层的光生载流子就能获得足够
高的动能，在与晶格碰撞时
就能够使共价键断裂产生电子
-
空穴对，该过程也称为碰撞电离。新的载流子又会
不断产生新的碰撞
电离，形成连锁效应，造成载流子的雪崩倍增效应，得到一个
非常大的脉冲电流，如图<
/p>
1.2
所示
[4]
。能够使
SPAD
发生这样雪崩效应的最低反向
偏压称为雪崩击穿电压
V
break
，雪崩击穿电压由
SPAD
的材料和工艺决定，实际施
加的反向偏压会适当大于雪崩击穿电压，在单光子探测将二者的差值称为过偏置
电压，即
V
ex
=V<
/p>
bias
-V
break
，用来描述
SPAD
的电压偏置状况。
SPAD
噪声低、结构
紧凑、受磁场影响小、工作电压
低，光子探测效率和时间分辨率都很高，是一种
理想的单光子探测器件。
基于
SPAD
的单光子探测
技术的重要应用之一是荧光寿命成像。具有荧光性
3
重庆大学硕士学位论文
的物质可以吸
收某种波长的光子，使得处于基态的电子从稳定的基态跃迁到激发
态，并且很快退出激发
回到基态，同时会发出比入射光的波长长的荧光。在生物
医学研究中，经常用荧光物质标
记被测目标，通过研究所发出荧光的特性来分析
目标的信息，这种方法广泛应用在血流量
成像、神经活动、药物的传送和吸收。
在诸如共聚焦多通道显微镜技术能够对活体组织进
行三维成像后，荧光物质也被
用来标记蛋白质和
DNA
，进行免疫分析和基因排序
[19]
。一般通过
研究荧光激发和
发射光谱、荧光强度、量子效率、荧光寿命等参数来研究荧光特性，进而
分析被
测目标的信息。
传统方法是通过薄膜滤波器和分色镜将激
发光源和发射光
(
即荧光
)
隔离，用荧光显微法探测荧光的强度。由于发射光峰值波长与激发光峰值波长的
差值
(
即斯托克斯位移
)
很小，典型值为
10~30nm
，滤波极为复杂
，而且样品的背景
光和环境自发荧光也会干扰荧光强度的测量。此外，荧光强度受光程长
、荧光物
质密度影响很大，随着时间增长还会衰减，不利于定量分析。由于荧光强度的测
量存在上述种种困难，目前已逐渐被荧光寿命成像
(FLIM<
/p>
，
Fluorescence
lifetime
imaging
microscopy)
测试所代替。
荧光物质中的电子可以吸收光子跃迁至激发态，激发态的电子并不稳定，会
很快退出激
发恢复到基态，电子在激发态保持的平均时间就称为荧光寿命。荧光
寿命
τ
取决于荧光物质本身的结构、
化学特性，
并受被标记物体的物理化学环境
(
如
离子浓度、
PH
值
)
影响，与荧光物质密度、入射光源强度、光漂白、外界杂质光等
因素均
无关系。因此，可将荧光物质作为染料标记到被测目标，若能准确测量荧
光寿命，
就能获得被测目标的相关物理化学参数。
荧光寿命
τ
描述的是大量处于激
发态电子的衰减特性，其定义是从激
发光源射入荧光物质到激发态电子强度衰减
为其峰值的
1/e<
/p>
所用的时间，激发态电子的强度衰减特性曲线呈指数函数分布：
I
(
t
)
?
I
(0)
e
?
?
/
e
(1.1)
其中，
< br>I(t)
表示荧光物质受到光源激发后
t
时刻激发态电子的强度，
I(0)
是初始
时刻的激发态电子强度，也是其峰值强度。在分布类型确定的的情况下，对光信
号进行采样，就可拟合得到荧光强度随时间的变化曲线，再通过计算得到上述激
发态电
子的强度衰减特性曲线，提取出荧光寿命值
τ
。荧光寿命典型值
范围在
100ps~10ns
内，一般在强度衰减期内至少进行
十次以上的采样才能获得较逼真的
强度衰减特性曲线，
也即采样
周期要小于荧光寿命
τ
的十分之一。
常
见的荧光寿命
测量方法有：时间相关光子计数法、门控法和相移法
[20]
。其中使用最多的是时间
相关单光子计数法
(TCSPC
，
Time
correlated single photon
counting)
。
1.3
国内外研究现状
单光子探测技术涉及到多个方面，如光信号处理、单光子探测器的选择和制
4
1
绪论
备、电路设计、电学信号处理以及成像技术。
在军事领域，单光子探测技术发展应用得很快。早在上个世纪末，美国雷神
公司
、波音公司、洛克希德
·
马丁等军工企业就开始研究基于单光子
探测技术、适
用于极微弱光条件下的激光雷达系统
[21]
；麻省理工学院林肯实验室在五角大楼支
持下也致力于三维激光雷达
系统的研究并将其应用于弹道防御系统，目前已进行
了多次测试，拍摄结果表明研究的三
维激光雷达系统能够很好地识别在伪装网、
森林中隐藏的汽车、坦克等目标
[22]
。英国
Heriot-Watt
大学设计了基于硅
SPAD
的
三维激光成像系统，可在
5m~330m
距离范围内实现成
像，在
325m
出成像的距离
分辨率仅
为
20mm
[23,24]
。
韩国
KAIST
大学在
2008
年以来也致力于基于
SPAD
的三
维成像系统研究，该系统可对
130m
距离的目标实现分辨率为
1cm
的清晰成像
[25-27]
。
国内也有
科研人员研究基于单光子探测的激光雷达成像系统。南京理工大学
的司马博宇、陈钱等人
研究的三维激光雷达成像系统可在毫米量级空间分辨率下
对
50
m
出的目标实现成像，并且进一步提出距离校正方法
[28]<
/p>
。北京航空航天大学
的刘晓波、李丽提出了分析激光雷达探测性能
的方法
[21]
。
< br>安徽问天量子科技股份有限公司在量子保密通信领域处于先进水平，该公司
与中国
科学技术大学和中科院量子信息重点实验室合作研发出了
WT-SPD
< br>系列红
外单光子探测器，使用
InGaAs/InP
雪崩二极管作为光敏器件，采用窄门脉冲控制
模式。门脉冲宽度为<
/p>
1ns
、
2.5ns
、
5ns
可选，死时间可调范围
1
~255us
，探测效率
为
5%~25
%
可调，
响应波长范围
950~165
0ns
[29]
。
其中
WT-SPD300
百兆红外单光子
探测器，死时间可
调范围控制在
0~100us
可调范围，可应用于量子密码通信
、远
程激光测距、非破坏性物质分析等领域。中国科学院西安光学精密机械研究所搭
建的基于微通道板的紫外单光子探测系统，
测试结果显示在
10MHz
采样频率下可
实现成像，系统分辨率
仅为
150um
[30]
。
此外，南京理工大学的寇松峰、尹丽菊、陈钱等人对单光子探测技术中的
光
子分布、响应、计数等方面做了研究
[17,31]
。华中科技大学的罗韩君等人建立了单
光子测距中目标探测概率和测距精
度的理论模型，探究了不同因素对测距精度的
影响
[11]
。华中科技大学的徐玲玲将单光子探测技术用于荧光寿命成像领域，进行
了全鼠脑样本的制备
[32]
。
综合上述国内外研究现状可以看出，目前单光子探测技术发展的比较好的领
域主要集中在涉及国家安全的激光雷达和量子通信保密领域，而且国外总体来说
研究较为领先。对于有广泛应用前景的生活、工业领域，单光子探测技术发展较
为缓慢
，主要是一些高校研究人员在进行研究，资金和技术支持相对较少，现有
的方案工艺复杂
、成本高、性能较差。因此迫切需要设计一种工艺简单、成本低
5
重庆大学硕士学位论文
廉、稳定性好的单光子探测电路系统。
1.4
课题主要工作和内容安排
论文围绕单
光子探测问题，对基于
CMOS
工艺的单光子雪崩二极管成像技
术
进行了研究，主要工作以及内容安排如下：
①
阐述了单光子探测技术的基本理论
，对不同单光子探测器件的成像原理、
工作特点进行分析对比，选用硅材料雪崩光电二极
管作为本课题的探测器件，介
绍了硅材料雪崩光电二极管的工作原理及主要特性参数。分
析了实验室设计的标
准
CMOS
工艺的
雪崩光电二极管器件的结构、伏安特性曲线和雪崩参数，在此基
础上建立雪崩光电二极管
的等效电路模型并仿真，以便在后续相关控制电路设计
真中用该模型中模拟雪崩光电二极
管活动，优化外围电路性能参数。
②
雪崩光电二极管在工作时需要相应电路控制雪崩光电二极管的淬灭和复
< br>位，文章探究了无源淬灭、有源淬灭、门控模式淬灭这三种主流淬灭方式的利弊，
采用有源淬灭电路并设计相应的延时电路。使用电压比较电路对雪崩信号进行甄
别，对处
理过的雪崩信号进行计数，设计了模拟和数字两种模式的计数电路。将
各部分电路连在一
起，构建完整的单光子计数像元电路，优化电路结构及器件参
数，仿真得到电路的特性参
数。
③
阐
述了时间相关单光子计数的原理和基本电路结构，选用高速电压比较电
路作为定时甄别电
路，介绍了几种典型的时间数字转换技术，分析影响其时间分
辨率的因素。
为了达到更高的时间测量分辨率，
设计了基于
SR<
/p>
锁存器的时间放大
电路和基于电流偏置的时间放大电路，对电路进
行理论分析、公式推导及参数仿
真。
6
2
单光子探测技术的基本理论与方法
2
单光子探测技术的基本理论与方法
2.1 SPAD
介绍
2.1.1 SPAD
工作原理
根据所加偏压、增益大小的不同，一般认为雪崩光电二极管有线性模式、盖
< br>革模式等几种工作状态，其中盖革模式的雪崩光电二极管由于其增益极高，常被
用
作单光子探测，也被称为单光子雪崩二极管
(Single
Photon
Avalanche
Diode
，
SPAD)
。
图
2.1
雪崩光电二极管的伏安特性曲线
Fig.2.1 V
olt-ampere
characteristic curve of Avalanche Photon Diode
以爱尔兰
SENSL
公司的雪崩光电二极管为例，
雪崩光电二极管在不同反向偏
压时的伏安特性曲线如图
2.1
所示
[31,33]
。
在光电二极管模式下，
雪崩光电二极管两
端施加一个较小的反向偏压，耗尽层内电场很弱，不足以让光生载
流子获得足够
能量来与晶格发生碰撞电离，因而没有倍增效果，无光照时，雪崩光电二极
管内
仅存在很微弱的暗电流；有光照入射时，雪崩光电二极管内存在很微弱的原始光
电流。在线性雪崩模式下，雪崩光电二极管两端反向偏压较大，但小于雪崩击穿
电压，光生载流子在内电场作用下会与晶格发生碰撞电离，此时输出与输入呈正
比例关系，雪崩光电二极管获得一个较低且稳定的增益
(
典型
值为
10~1000)
，因而
也称为线
性模式。在盖革雪崩模式下，雪崩光电二极管两端反向偏压大于其雪崩
击穿电压，由于内
电场场强极高，光生载流子获得的动能很大，碰撞电离会持续
发生形成雪崩倍增效应，此
时雪崩光电二极管的理论增益是无穷的，单个光子即
可使雪崩光电二极管达到饱和光电流
，这种工作状态称为盖革模式
(Geiger
mode)
。
7
重庆大学硕士学位论文
在盖革模式下
，反向偏压越高，雪崩电流增长的越快，雪崩产生过程可看作是瞬
态的
< br>(
一般不超过
1ps)
，这样就
可以在极短的时间内对光子计数，实现成像。盖革
模式工作的雪崩光电二极管由于其增益
极高，常被用作单光子探测，也被称为单
光子雪崩二极管
(Si
ngle Photon Avalanche Diode
，
SPAD)
。
2.1.2
SPAD
主要参数
光子探测效率
(Photon Detection Effi
ciency
，
PDE)
是
SPAD
的重要参数，
是指光
子进入
SPAD
后能够激发雪崩并被检测到的平均概率，代
表着
SPAD
探测单光子
信号的能力，
可以表示为被探测到的光子数除以入射总光子数。与光子探测效率
密切相关的有另外两个
参数量子效率和雪崩触发概率，分别对应光子探测过程的
两个步骤，一是
SPAD
吸收光子产生电子
-
空穴对，称为初始电子
-
空穴对；二是初
始电子
-
空穴对在反向偏压作用下触发雪崩、产生很大的光电
流。
并不是每个入射光子都能激发
S
PAD
产生电子
-
空穴对，
一般把初始电子
-
空穴
对
与入射光子数的比值称为探测器的量子效率
(Quantum
Efficiency
，
QE)
，量子
效
率主要取决于材料吸收系数、禁带宽度和光子能量，所以量子效率一般是针对某
一特定频率的光子定义的：
①
光子探测效率
?
q
?
I
P
t
/
e
I
P
h
?
(2.1)
?
P
0
t
/
h
?
P
0<
/p>
e
其中
I
P
为初始电
子
-
空<
/p>
穴对
形
成的
等<
/p>
效光
电流，
h
是
普朗克常
数值为
6.63
?
10
?
34
J
?
S
?
是入射光子频率，
P
0
是
SPAD
表面入射光的功率。
SPAD
吸收光子产生初始电子
-
空穴对后，即使此时
SPAD
反向偏压高于发雪
崩击穿电压，
也不一定能触发雪崩，
这里涉及
到另一个参数
——
雪崩触发概率
?
m
，
其定义为初始电子
-
空穴对触发的雪崩次数与初始电子
-
空穴对的比值。
可以看出，光子探测效率就是量子效率和
雪崩触发概率的乘积，可表示为：
?
?
?
q
?
?<
/p>
m
(2.2)
②
倍增因子
倍增因子是指
SPAD
吸收光子后的雪崩电流与雪崩之前的电流之比，体现的
是探测器对信号的放大能力。
SPAD
的理论倍增因
子为无穷大，
实际测试中也一般
在
10
000
以上，雪崩后电流在几个
ps
内
就能达到饱和。倍增因子与
SPAD
的结构
和反向偏压有关
[34]
。
③
死时间
光子进入
SPAD
后可以激发雪崩，为
了保证
SPAD
的正常工作，会有专门的
驱动电路控制
SPAD
的反向偏压降到雪崩击穿电压一下使雪
崩淬灭，然后控制
SPAD
复位使其反向偏压恢复至初始状态，
以探测后面的光子。
在从雪崩淬灭开始
8
2
单光子探测技术的基本理论与方法
到
复位结束的这段时间内
SPAD
无法感应其他光子，
因而称为死时间
(Dead Time)
。
死时间对探测频率和光子探测效率有着重要影响，死时间越小意味着探测速度更
快，被漏测的光子越少。研究表明，死时间还会导致光子计数分布更为集中，死
时间越大，这种效果越明显
[35]
。因此在设计中会通过改善
SPAD
与电路参数尽可
能降低死时间
。
④
暗计数率
除了光生载流子可以引发雪
崩外，由热效应、隧道效应和势阱捕获效应产生
暗载流子也可能引发雪崩，这类雪崩信号
计数称为暗计数，单位时间内暗计数发
生的次数就是暗计数率
(
dark count rate
，
DCR)
< br>。暗计数会影响正常的光子计数，导
致得到的光子数目和分布情况失真，应设法抑
制。通过电路对暗载流子激发的雪
崩信号进行处理较为困难，因而降低暗计数率往往是从
降低暗载流子的产生着手。
一是改进器件生产工艺，降低器件缺陷。
二是使用制冷设备，降低器件工作温度，但是器件工作温度越低，势阱捕获
效应产生
的载流子寿命越长，后脉冲效应越明显。
三是降低
SPAD
的反向偏压，这会降低正常的光子被探测到的概率，即降低
光子探测效率，在测试中可根据需求合理调节
SPAD
的反向偏压
[36]
。
⑤
空间分辨率
空间分辨率一般指探测器
能够分辨的最小尺寸，这里主要体现在两个方面，
一是像元尺寸、距离要尽可能小，二是
像元中感光区面积所占面积要尽可能大。
2.1.3
SPAD
工艺与结构
SPAD
主要有
Si
、
Ge<
/p>
和
InGaAs
几种，光谱响应范围分别
为
300nm~1100nm
、
800
nm~1600nm
和
900nm~1700nm
[37]
。可以看出
Si-SPAD
主要对应可见光波段，
而
Ge-
SPAD
和
InGaAs-SPAD
在
近红外波段有较好探测效果。
基于光纤的低损耗窗
口和人眼安全
考虑，目前光纤通信中大多采用
1310nm
和
1550nm
的光波，因而应
用于通信领域的探测器多
采用
Ge-SPAD
和
InGaAs-
SPAD
。
本文研究的单光子探测
技术
打算应用于荧光探测，荧光处于可见光波段，波长范围在
400~500nm
，因此
采用硅
SPAD
作
为单光子探测器件。
硅
SPAD
近年来发展迅速，已有商业化的产品出现，但大多是用非平面工艺
对
高纯度、
高电阻率的硅片加工所得，
成品率低且成本高昂，
其较高的工作电压
(
几
百伏
)
使得雪崩时的功耗也相应较大
(
约
10
瓦
)
，而且
SPAD
对于控制电路的混合
集
成会导致
SPAD
性能下降，这些都
限制了硅
SPAD
的进一步发展。随着半导体工
艺技术的进步和
CMOS
集成电路设计水平的提高，<
/p>
使得采用标准
CMOS
工艺设计
SPAD
、
将
SPAD
与相关的
CMOS
集成电路单片集成在
同一芯片上成为可能，
这样
的产品不仅成品率高、重复性好、价
格低廉，而且噪声低、可靠性好。
9
重庆大学硕士学位论文
在
SPAD
结构设计中最常见的问题是边缘击穿，由电磁学相关理论可知，在
强电场作用下，物体表面曲率大的地方电荷密度高，电场强度强。在给
< br>SPAD
施
加较大的反向偏压时，
P-N
结边缘处场强明显大于中心区域场强，
极易提前发生雪
崩击穿，导致
SPAD
的雪崩电流集中
在
P-N
结边缘处，一方面会降低
SP
AD
的寿
命，另一方面也会影响光子的探测。为了避免发生边缘
击穿，最常见的手段是设
计保护环结构。图
2.2
是一种带保护环的薄耗尽层平面型硅
SPAD
，采用
0.5um
CMOS
平面型工艺，<
/p>
P+
区与深
N-
阱区形成
P-N
结，红色的
P
阱区作为保护环防止
P-N
结边缘处提前发生雪
崩击穿
[38]
。
N
+
P
+
P
阱
深
N
-
阱
P
-
衬底
图
2.2
带
保护环的
SPAD
结构示意图
Fig.2.2 Structure diagram of SAPD with
the guard ring
图
2.3
SPAD
各区域掺杂浓度示意图
Fig.2.3 Doping concentration diagram of
SPAD
器件仿真工具中设计的
SPAD
如图
2.3
< br>所示，
其结构完全对称，
从中可以清晰
< br>10
2
单光子探测技术的基本理论与方法
看
到各区域掺杂的浓度分布
[39]
。图中不同的颜色分别对应表
示不同掺杂浓度，紫
色、蓝色、绿色、黄色、红色分别表示该区域掺杂浓度为
1×
10
15
/cm
3
、
1×
10
16
/cm
3
、<
/p>
1×
10
17
/
cm
3
、
1×
10
18
/cm
3
、
1×
10
19
< br>/cm
3
。上侧中央区域的红色条形区就是可以吸收光<
/p>
子的感官区，感官区的大小会直接影响二极管的探测效果，光敏面两侧的黄色凹
形区域是保护环。右下角不同颜色的矩形条表示不同的材料，从下往上依次是电
极、导体、二氧化硅和硅。未加光照情况下的伏安特性曲线如图
2.4
所示，横坐标
表示外加偏压
(
负值代表是反向偏压
)
，纵坐标表示
SPAD
中的电流。
图
2.4
施
加
-30~0V
电压时
SPAD
的伏安特性曲线
Fig.2.4
Volt-ampere characteristic curve of SPAD
给
SPA
D
施加波长为
300nm
的入射光，对
其进行同样范围的电压扫描仿真，
将其伏安特性曲线与无光照条件下的伏安特性曲线作比
较，
如图
2.5
所示
< br>[40]
。
可以
看出，反向偏压
在
18.11V
以下时，两条曲线电流变化都非常小，且有光照
条件下
的电流远大于无光照条件下电流；反向偏压为
18.11
V
时，两条曲线电流同时发生
跃变且几乎重合。加大入射光光强
，反向偏压在
18.11V
以下时的电流显著增加，
反向偏压在
18.11V
以上的电流依旧不变。<
/p>
可知该
SPAD
的雪崩击穿电压约为
18.11V
，低于目前已有的绝大部分
SPAD
。
反向偏压在
18.11V
以下时
SPAD
不发生雪崩，
SPAD
相当于普通的光电二极管，
管子中的光电流较小且受入射光强影响显著；反向偏压为
18.11V
时
SPAD
发生雪
崩
，电流发生跃变，雪崩电流约为
1mA
，且雪崩电流与光照无关
；反向偏压继续
11
重庆大学硕士学位论文
增加时雪崩电流增长幅度很小，趋于饱和。
图
2.5
有无光照下的
SPAD
伏安特性曲线对
比
Fig.2.5 Curves of dark
current and light current
电
流是否发生跃变是判断
SPAD
是否发生雪崩的主要依据，而反
向偏压是
SPAD
能否发生雪崩的必要条件，
< br>通过降低
SPAD
的反向偏压可使雪崩淬灭。
在反
向偏压高于雪崩击穿电压的情况下，即使没有光子入射，在足够时间内
由热效应、
隧道效应和势阱捕获效应等产生的暗载流子也会激发雪崩，且雪崩电流与正常
光
子激发的雪崩电流完全一致，造成暗计数。由于
SPAD
的雪崩是基于内光电效应
且雪崩倍增因子非常高，雪崩电流取决于<
/p>
SPAD
的材料和结构，与光照强度无关，
仿真结果验证了这一点。
SPAD
材料的不同意味着其电子能
带不同，
吸收不同频率
光子后产生雪崩的概率也不同。
综上所述，文章选择的
CMOS
工艺硅
SPAD
的雪崩击穿电压为
< br>18.1V
，雪崩
电流约为
1m
A
，
非雪崩状态下的暗电流小于
10u
A
，
雪崩速度小于
500ps(
光子进入
到雪崩发生的时间
)
。
2.2
SPAD
等效电路模型
欲实现单光子
成像不仅需要单光子探测器还需要结合外围电路以控制单光子
探测器工作状态并对信号进
行处理，所以研究人员在进行像元电路设计时往往会
用等效
SP
ICE
模型来代替
SPAD
。
SPAD
等效模型需尽可能真实地反映
SPAD
在光
12
2
单光子探测技术的基本理论与方法
子探测中的等待、雪崩、淬灭和复位等活动情况。本节介绍了两种
SPAD
电路模
型并在
Cadenc
e
软件中对电路进行了仿真。
2.2.1
简单
SPAD
等效电路
在电路仿真中，可用一个电容与脉冲电
流源并联来代替雪崩二极管，如图
2.6
所示，
A
为
SPAD
的阳极，
K
为阴极。该模型中电容约为
1pF
，代替雪崩二极管的
P-N
结电容，
模拟其充放电效果。
电流源的输出电流为零表示
SPAD
处于没有光子
射入的状态；以
1mA
为高电流阈值，电流大于
1mA
时认为是高电流，表示有光
子射入，
SPAD
< br>发生雪崩，该电流等效于
SPAD
的雪崩电流。雪崩电流
会对电路中
的电容充电。
图
2.6
简
单型
SPAD
等效电路
Fig.2.6 Equivalent model of traditional
SPAD
如果充电电流
I
为
10mA
，充电时间
t
为
2ns
，电容
C
为
1pF
，则电容上电压
改变
ΔV
为
20V<
/p>
。
电流脉冲宽度应限定在一定范围，
太短
可能电路来不及响应导致
采集不到雪崩信号，太长则雪崩淬灭后在复位过程中又会发生雪
崩，即在一个周
期内发生多次淬灭复位，输出多个雪崩信号，计数电路会进行错误计数。
对电路进行
25ns
的瞬态仿真，按照上面的数据设置仿真参数，仿真结果如图
2.7
所示。第一行是脉冲电流源的电流输出，第二行与第三行分别代表电容两个极
板的电压。可以看出，脉冲电流源有电流输出时，电容充电，两端电压线性增加。
每过一
个周期，电容两端电压增加
20V
，与理论计算一致。在实际使
用中，
SPAD
会连接其他电路，每次电容充电结束后会进行放
电，放电时间由放电支路的电流
决定，放电结束后电容两端电压又会降至
0V
。
13
重庆大学硕士学位论文
图
2.7
简单型
SPAD
等效电路仿真结果
Fig.2.7
The simulation result for equivalent circuit of
traditional SPAD
但是该模型忽视了体电
阻和寄生电容等因素对器件的影响，不能真实反映
SPAD
器件
两端的电压变化情况，
应用中只能通过电流变化来分析雪崩过程、
提取
雪崩信号，有较大局限，故本文不采用这种方案来模拟
S
PAD
。
2.2.2 SPAD
SPICE
仿真模型
图
2.8
改
进型
SPAD
模型
Fig.2.8 Equivalent circuit of improved
SPAD
14
2
单光子探测技术的基本理论与方法
论文仿真采用的
SPAD
模型如图
2.8
所示
[41]
，
该模型将
SPAD
看作一个理想的
MOS
开关、电阻
R
< br>d
与一个电压源
V
break<
/p>
的串联结构。电压源
V
break
对应
SPAD
的
雪崩
击穿电压，
R
d
代表
< br>SPAD
的体电阻，也可起到保护电路的作用。
MOS<
/p>
开关用
栅极电压控制，断开时表示
SPA
D
未发生雪崩，处于反向截止状态，闭合时表示
SPAD
反向偏压已高于雪崩击穿电压，
SPAD
处于
雪崩状态。
C
d
表示
< br>SPAD
的
P-N
结电容，
C
p1
与
C
p2
分别代表阳极、阴极与衬底的寄生电容
(
二者基本相等
)
，一般
C
d
、
C
p1
与
C
p2
的大小取决于
SPAD
的结构和制造工艺。
用压控电压源
V
0
作为驱动电源控制电路中的
NMOS
管，
设置电压源
V
0
参数
：
高电平
5V
，低电平
0V
，延迟时间为
2ns
，脉
冲宽度为
3ns
，上升时间与下降时间
均为
1ps
，周期
10ns
。对电路进行瞬态仿真，仿真时间
25ns
。仿真
结果如图
2.9
所
示，由于电容在直流
通路中等效于断路，在稳定状态下不管
NMOS
管栅极电压处<
/p>
于高电平还是低电平，
电路都截止，电路中只有
< br>ns
级的漏电流。仅仅在
NMOS
管
栅极电压跳变时，电容进行充放电，电路中产生一个
mA<
/p>
级的脉冲电流。
图
2.9
SPAD
等效电路仿真结果
Fig.2.9 The simulation result for
equivalent circuit of improved SPAD
为了研究电路的直流特性，暂不考虑电容的影响，构建如图<
/p>
2.10
所示的测试
电路，仿真结果如图
2.11
所示。
15
重庆大学硕士学位论文
图
2.10
不考虑电容时的
SPAD
等效电路
Fig.2.10 Equivalent circuit of improved
SPAD neglecting capacitor
图
2.11
不考虑电容时的
SPAD
等效电路仿真结果
Fig.2.11 The simulation result
neglecting capacitor
可知
NMOS
管栅极输入低电平时，
NMOS
管工作在截止区，其漏源电压等于
电源电压<
/p>
V1
，电路断开，几乎没有电流，相当于
SPAD
处于准备阶段；
NMOS
管<
/p>
栅极输入高电平时，
NMOS
管导通且工
作在饱和区，其漏源电压约为
7V
，电路中
16
2
单光子探测技术的基本理论与方法
电
流约为
11.5mA
，相当于
SPAD
处于雪崩状态，该电流可以看作是雪崩电流。仿
真结果符合设计
目标，且可以通过该电路的电流大小粗略预估
SPAD
的雪崩电
流
大小及功耗。该电路中，电阻对电流大小及功耗有较大影响，若电流太大，可考
虑增加电阻以保护电路、降低功耗。
2.3 SPAD
淬灭方式
普通的雪崩光电二极管工作在线性模式下，其反向偏压较低，工作电流也较
小，因而可以较长时间工作。而
SPAD
工作在盖革模式下，
其反向偏压大于雪崩
击穿电压，有光子射入时
SPAD
就会发生雪崩，雪崩电流可达到
mA
量级，理论
上只要反向偏压仍大于雪崩击穿电压，雪崩就不会停止，功耗很大而且会伴随着
大量发热。即使已进行保护环结构设计，若
SPAD
持续处于雪崩状态，会明显降
低其寿命，
甚至烧毁
SPAD
。
温度升高时
SPAD
内部晶格对载流子的闪射作用增强，
载流子的平均自由
程会减小，载流子想要在较短的距离内获得足够的能量以引起
碰撞电离，就需要更高的电
场强度
[42]
。因此温度的升高会引起
SPAD
雪崩击穿电
压变高，导致过偏压变小，降低光子探测
效率，引起计数输出曲线发生非线性畸
变。在雪崩电流流经
SP
AD
的过程中，器件的缺陷会捕获载流子，若
SPAD
长时
间处于盖革模式下，这些被捕获的载流子在电压作用下释放再次激发
雪崩的概率
会显著增加，这样的雪崩信号会被读出电路同样记录下来，属于噪声信号，也
称
为后脉冲
[31]
。同时为使
SPAD
能够感应后面的光子信号，必须降低反向偏压以终
止雪崩，再使
SPAD
反向偏压恢复到雪崩击穿电
压以上，等待下一个光子到来，
为此必须设计相应的控制电路。
如上所述，该控制电路需要依次实现以下三个功能：一、探测雪崩发生，输
出良好的雪崩信号；二、将
SPAD
反向偏压迅速降
低到雪崩击穿电压以下以淬灭
雪崩；三、将
SPAD
的反向偏压复位至雪崩击穿电压以上，得以探测后续射入的
光子。一般把这
部分控制电路称为为淬灭电路。
针对不同情况，常见有三种淬
灭方式，即被动淬灭
(passive
quenching)
、主动
淬灭
(active
quenching)
和门控脉冲淬灭
(gated mode
quenching)
。
2.3.1
被动淬灭
将
SPAD
与两个电阻串联，可以构成如图
2.12
所示的被动淬灭结构
[43]
，图中
R
q
为分压电阻、
R
S
为采样电阻。
在该电路中，
< br>分压电阻
R
q
阻值很大
(100KΩ
以上
)
，
起分压、限流的作用，使得
SPAD
在
发生雪崩后压降迅速减小，达到淬灭的作用；
采样电阻
R
S
大小适中
(
几十<
/p>
Ω
)
，用来输出脉冲电压作为雪崩信号。
被动淬灭因为
利用的是无源器件电阻的分压效果，因而也叫无源淬灭。
< br>
17
重庆大学硕士学位论文
图
2.12
被动淬灭电路示意图
Fig.2.12 Circuit schematic in passive
quenching
图
2.12
引入
SPA
D
等效模型的被动淬灭电路示意图
Fig.2.12 Passive quenching circuit
schematic with equivalent circuit of SPAD
图
2.12
是引入
SPAD
等效模型的被动淬灭电路示意图
[44,45]
，
C
d
为耗尽区的节
电容，
C
p
是寄生电容，
R
L
与
C
L
是输出端负载，电压源
V
break
与
SPAD
的雪崩击穿
电压一致，
V<
/p>
H
是外加的电源电压且
V
H
＞
V
break
。在单光子探测中
SPAD
一般会依
次经过以下几个阶段：准备阶段，雪崩和淬灭阶段，复位阶段。
18
2
单光子探测技术的基本理论与方法
准
备阶段：
给电路提供电压但光子尚未进入，
等效于开关断开，<
/p>
此时落在
SPAD
的反向偏压
V
d
等于
V
H
，高于其雪崩击穿电压
V
break
，处于准备接受光子的状态，
C
p
和
C
d
充满电荷，采样电阻
R
S
两端压降为零
，没有雪崩信号输出。
雪崩和淬灭阶段：光子射入
SPAD
，雪崩发生，等效于开关闭合，电路中瞬间
产生很大的雪崩电流。分压电阻
R
q
两端压降瞬时增大，
SPAD
两端偏压下降，当
其反向偏压下降至其雪崩击穿电压
V
break
以下时，雪崩开始淬灭，
P-N
结不再产生<
/p>
新的载流子，原有的载流子很快耗尽，电流迅速减小直至趋向于零。在等效电路
中，雪崩淬灭还表现在
C
p
、
C
d
通过
R
q
和
R
d<
/p>
的并联放电，放电时间就是
SPAD
的<
/p>
雪崩淬灭时间。由于
R
q
p
<
br>来放电充电，而
<
d
，淬灭时间可表示为：
T
q
= (C
+C
d
)
Rd
(2.3)
若
R
d
=1
K
，电容为
2pF
，则淬灭时间为
2ns
。
复位阶
段：开关断开等效于淬灭完成，此时电路中无雪崩电流，
SPAD
的反向
偏压又逐渐上升。电源
V
H<
/p>
对
C
p
和
C
d
充电，充电时间就是复位时间，即：
T
r
= (C<
/p>
p
+C
d
)
R
q
(2.4)
SPAD
的反向偏压又恢复至外接电源电压
V
H
时，充电结束，进入下一个探测
周期，
SPAD
又处于准备阶段，等待探测下一个光子。从雪崩发生、淬灭到复位完
成
，在这过程中采样电阻
R
S
上形成一个
脉冲电压信号，将该信号提取后并处理，
就可作为雪崩信号。在雪崩和淬灭阶段、复位阶
段，
SPAD
无法感受新的光子发生
雪
崩，这段时间也称为死时间，一般来讲有：
T
dead
≥T
q
+
T
r
(2.5)
这种方案的优势在于结构简单，但存在以下缺点：
①
电路重复性较差。在每个周期内<
/p>
SPAD
都是通过
RC
RC
电路可靠性较差，充放电电流和时间
变化较明显。电流的不稳定会导致在不同的
雪崩周期中采样电阻
R
S
上输出的雪崩击穿电压信号幅值变化较大，若雪崩信号的<
/p>
判定电压设置得太大，会导致信号漏记；若判定电压设置得太小，则会大大增加
暗计数。
RC
充放电时间的不稳定性会导致死时间
和探测周期变化较大，不利于在
探测中统计探测周期。
②
电阻对电路的效果影响很大。
该方案中由分压电阻
R
q
< br>实现淬灭，
为了减小
雪崩电流、快速实现淬灭，需要分压
电阻
R
q
阻值较大，导致复位时间很长
，一般
为微秒量级，会明显影响光子探测效率，还容易产生暗计数。而且电阻的功耗、<
/p>
寄生电容、温度系数以及所占版图面积都较大，不利于后续生成大规模整列。
可以用
MOS
管来代替电
阻以减小寄生参数、
改善电路特性，经测试死时间可
减小至
100ns
左右
[46]
< br>，较原来有很大提高，但是探测效率、后脉冲等参数仍然较
差。基于这些明显缺点
，被动淬灭通常只用在对探测效率、响应速度和精度要求
19
重庆大学硕士学位论文
均不高的测试
中，目前在单光子探测中一般采用主动淬灭或者门控脉冲淬灭模式。
2.3.2
主动淬灭
主动淬灭引入了反馈环路，在雪崩发生后，反馈信号可以控制
SPAD
的反向
偏压降到雪崩击穿电压以下，达到淬灭雪崩的效果，这种方式也
称为有源淬灭。
其结构示意图如图
2.13
所示
[47]
：
图
2.1
3
主动淬灭电路结构示意图
Fig.2.13 Structure diagram in active
quenching
中间
SPAD
与淬灭开关
K1
组成雪崩及淬灭通路，
右边是雪崩信号采集、
输出
及反馈支路
，左边
SPAD
与复位开关
K2
组成复位支路。与被动淬灭方式类似，在
主动淬灭方式下
SPAD
也会依次经过准备阶段、雪崩和淬灭阶段、恢复阶段。
准备阶段，淬灭开关
K1
闭合，复位开关
K2
断开，
SPAD<
/p>
的反向偏压接近
V
break
+V
ex
，大于其雪崩击穿电压
< br>V
break
。
雪崩和淬灭阶段，光子射入
SPAD
，瞬间发生雪崩
，电路输出雪崩信号，同时
反馈回路将雪崩信号反馈至中间的雪崩通路，控制淬灭开关<
/p>
K1
断开，导致
SPAD
的反向偏压低于雪崩击穿电压
V
break
，
当
SPAD
结电容放电
结束时，
雪崩淬灭完毕。
复位阶段，
雪崩淬灭完毕后，经延时电路控制的另一反馈回路控制复位开关
K2
闭合，通过复位支路对
SPAD
充电，使其反向偏压置于雪
崩击穿电压
V
break
之
上。充电结束后，在反馈回路作用下淬灭开关
K1
闭合、复位开关
K2
断开，复位
完成，
进入下一个探测周期，
SPAD
回到准备阶段，可以探测下一个
光子。
由主动淬灭的工作原理可知，
①
该方案需设计精确的延时电路，且
需要控制延时电路的延迟时间
T
off
大于
淬灭时间
T
q
，确保淬灭彻底完成。
20
2
单光子探测技术的基本理论与方法
②
主动淬灭模式的死时间
T
dead
是恒定的且远小于被动淬灭模式的死时
间。
最
小死时间
T
dead
为：
T
dead
= T
off
+ T
r
，
T
off
为延时电路的延迟时间，
T
r
为复位时
间。合
理控制过偏压和延时电路的延迟时间，可以有效降低死时间。在仿真试验中，一<
/p>
般会把雪崩信号周期设定为死时间
2~5
倍，死时间的良好特性保证了雪崩周期容
易确定且数值很小。
③
在实际测量中，若
SPAD
处于准备阶段
(
反向
偏压高于其雪崩击穿电压
)
的
时间较长
，会降低
SPAD
寿命，而且由热效应、隧道效应和势阱捕获效
应产生的
暗载流子也会激发雪崩，导致暗计数增加。
2.3.3
门控脉冲淬灭
在被动淬灭和主动淬灭中，
SPAD
处于准备阶
段
(
反向偏压高于其雪崩击穿电
压
)
的时间较长，会影响
SPAD
寿命，而准备阶段的增加意味着暗载流子激发雪崩
的可能性也会增加，导致
探测中由较大的暗计数。基于该问题，研究人员提出了
门控脉冲淬灭，该模式引入了门控
脉冲信号，相当于将
SPAD
的准备阶段分为两
个状态：在大部分时间内，
SPAD
处于休息状态，其
反向偏压远低于其雪崩击穿电
压，无法探测光子，也不会引发暗计数；仅仅在一小段时间
内，
SPAD
处于工作状
态，其反向偏
压高于其雪崩击穿电压，有入射光子时就会激发雪崩。
图
2.14
门控脉冲淬灭电路示意图
Fig.2.14
Structure diagram in gated mode quenching
21
重庆大学硕士学位论文
门控脉冲淬灭
的电路示意图如图
2.17
所示
[44
]
，该电路中有两个电压源，一个
是幅值恒定且较小
(
小于雪崩击穿电压
V
b
reak
)
的直流电压源
V
0
，另一个是脉冲宽度
很小的门控脉冲电压源，以
高电平为有效信号，脉冲宽度为
T
g
，
高电平为
V
1
，且
满足
V
0
+V
1
﹥
V
break
，低电平为零，将高电平状态称为门控开启状态，低电平状态
称为门控关闭状态
。
门控脉冲淬灭的基本工作过程如下：无光子射入时，门控脉
冲电压源处于门
控关闭状态，
SPAD
反向偏压为
V
0
，由于
V
0
﹤
V
break
，电路不会引发暗计数；合理
控制门脉冲电压源
的时序，使得光子射入时门控脉冲电压源处于门控开启状态，
SPAD
< br>反向偏压为
V
0
+V
1
大于雪崩击穿电压
V
b
reak
，光子激发
SPAD
发生雪崩
；门
控脉冲电压源的脉冲宽度很小，最多在脉冲宽度时间
T
g
后，门控脉冲电压源又会
处于门控关闭状
态，
SPAD
反向偏压降低至
V
0
，雪崩就会淬灭。
门控脉冲淬灭中，门控开启状态的时间远小于门控关闭状态的时间，这带来
以下几个方
面的积极影响：一是
SPAD
只有在门控开启状态时才有可能发
生雪崩，
淬灭时间与脉冲宽度时间
T
g
呈正相关关系，
T
g
< br>很小意味着淬灭时间很小，有利于
实现较高的探测效率；二是门控开启时间越小，
雪崩期间被势阱捕获的载流子越
少，门控关闭时间越长，被势阱捕获的载流子释放越充分
，可以显著降低势阱捕
获效应导致的后脉冲引起的暗计数。三是降低了
< br>SPAD
的功耗，延长了工作时间。
< br>门控脉冲淬灭工作原理可知，在已知光子到达时间情况下，可以合理调整门
控脉冲
电压源的时序，使得光子射入时电路总是处于门控开启状态，理论上可以
记录所有的光子
。对于光子随机到达的情况，无法对所有光子进行探测，只能将
待测光子看做随机信号进
行采样。将门控脉冲电压设置为普通的周期脉冲电压信
号，门控脉冲电压的频率就是采样
率，在大量光子的统计基础上也可有效还原光
子状态。门控脉冲频率越高，探测到的光子
越多，但是门控脉冲频率的提高会导
致雪崩信号变微弱，往往需要特殊手段来提取
[43]
。
2.4
小结
单光子探测器作为光电转换器件是单光子成像中的核心部分。本章介绍了
SPAD
的工作原理、器件结构和主要特性参数。分析了
SPAD
的等效电路模型。采
用等效电路对单光子入射引起的雪崩信号进行了模拟仿
真，仿真结果表明改进型
SPAD
等效电路模型可以很好地模拟
SPAD
在单光子探测过程中的行为。
介绍了典
型的几种淬灭方式的原理和使用情况。
22
3
单光子探测电路设计
3
单光子探测电路设计
3.1
整体电路结构
基于
SPAD
的单光子探测电路基本结构如图
3.1
所示。
淬灭电路在
SPAD
发生
雪崩后及时将雪崩淬灭然后使
SPAD
快速恢复初始状态，同时输出雪崩脉冲信号，
淬灭电路的死时间应尽可能小，确保较高的光子探测效率。信号处理电路对雪崩
信号进行
滤波和整形，降低暗计数。最后信号在经过计数后通过读出电路输出结
果。
电路参数基本要求：
淬灭电路的死时间小于
5ns
；
信号甄别电路能够分辨
10mV
以上的输入差分电压；计数电路容量大于
1
000
次；构成的像元电路工作频率在
100MHz
以上、传输延时小于
10ns
。
< br>
图
3.1
基于
SPAD
的单光子探测电
路基本结构
Fig.3.1 Structure
diagram of single photon detection circuit based
on SPAD
3.2
淬灭电路设计及仿真
3.2.1
淬灭电路基本结构
综合量子效率、响
应速度、暗计数和信号读出等多方面因素考虑，采用主动
淬灭方式驱动
< br>SPAD
，
其基本思想是加入反馈环路，
从电路中提取雪崩信号并进行
处理，再通过该信号控制
SPAD
的反向偏压降到雪崩击穿电压
V
break
以下，达到淬
灭雪崩的效果。
图
3.2
是一种典型的主动式淬
灭电路结构，
通过引入电压反馈控制相应开关实
现淬灭
[48,49]
。
R
1
与
R
S
分别作
为限流电阻和采样电阻，将
R
S
上的压
降称为采样信
号，
V
A
、
V
Q
均为外加的直流电压源
，
V
A
大于雪崩击穿电压
V
break
，
V
A
与
V
Q
的差
值小于雪崩击穿电压。
A
为快速电压比较器，其负相输入端外接一个参考电压，
采样信号连接在比较器正相输入
端上，当采样信号电平小于参考电压时认为雪崩
未发生、输出低电平，当采样信号电平大
于参考电压时认为发生了雪崩、输出高
电平。
采样信号经过电路
A
处理后可作为雪崩判定信号输出。
M
1
和
M2
是具有一
定延迟时间的单稳态触发器，
其输出分别控制
K1
和
K2
进行快速主动淬灭和复位。
23
重庆大学硕士学位论文
VA
A
VQ
R1
K1
SPAD
M1
M2
R
S
K2
图
3
.2
电压控制模式的主动淬灭电路结构示意图
Fig.3.2 Active quenching schema in
voltage-controlled mode
在初始状态无光子入射，
SPAD
与
R
1
、
R
S
构成的雪崩支路处于断路状态，
R
1
与
R
S
的压降均为零，即采样信号处于低电平，比较器
A
输出信号
为低电平，触发
器
M1
和
M2
控制开关
K1
和
K2
断开，
SPAD
反向偏压为
V
A
，处于单光子探测准<
/p>
备状态。光子进入
SPAD
后发生雪崩，
瞬间生成很大的雪崩电流，采样电阻
R
S
上
产生压降，当高于参考电压时，比较器输出翻转为高电平，该信号通过
M1
和
M2
的作用先后驱动
开关
K1
和
K2
闭合。
首先是在
M1
作用下驱动淬灭
开关
K1
闭合，
使
SPAD
的反向偏压降低至
V
A<
/p>
-V
Q
，该电压小于雪崩击穿电压导致雪
崩淬灭，雪
崩电流很快降低至零。待淬灭完成，
M2
驱动复位开关
K2
闭合，
SPAD
的阳极接
地，
R
L
与
R
S
< br>被短路，电源
V
A
通过复位开关
K2
对
SPAD
充电使其反向偏压很快
恢复到
V
A<
/p>
。
R
S
的压降变
小，
比较器
A
输出的雪崩判定信号变为
低电平，
经过一段
时间后
M1
和
M2
控制开关
K1<
/p>
和
K2
断开，电路恢复初始状态，实现快
速复位。
在整个周期内，快速电压比较器
A
输出的信号可看作一个以高电平为有效信号的
脉冲电压信号，经过信号处理后就可以
进行计数。
在该电路中，
V
A
-V
Q
需明显小于雪
崩击穿电压
V
break
，保证彻底淬
灭雪崩。比
较器
A
的参考电压应适中，
太大会导致电路功耗变大、淬灭变慢、死时间增加，
太小会导致暗计数增加。为避免电路
在复位过程中再次激发雪崩、生成后脉冲，
应确保电路在完全淬灭后再进行复位，
满足一定的时序。
可将
M1
< br>和
M2
都设置为
边沿触发，雪崩
发生后比较器
A
输出信号的上升沿触发
M1
动作，驱动淬灭开关
K1
闭合，雪
崩淬灭；待淬灭结束，触发器
M1
输出信号的下降沿触发
M2
，驱动
复位开关
K2
闭合，这就在保证电路先淬灭后复位的同时降低了电路延时。
该电路的死时间约为
120ns
，
与被动淬灭相比有所改善，但是仍然偏大。因为
比较器、触发器、电阻等都会影响电路的
响应速度，并且该电路完全工作在电压
24
3
单光子探测电路设计
控制模式下，而在
SPAD
的单光子探测过程中，判
断雪崩发生、淬灭的根本依据
是电流，
电流模电路往往比电压模
电路响应速度快。
研究人员提出了如图
3.3
< br>所示
的主动淬灭电路结构
[47]
。
SPAD
反向偏置于电路上方，便于电路施加额外电压，<
/p>
A
点为其阳极。
M1
、
M3
、
MQ
、
MR
均为
NMOS
管，
M2
为
PMOS
管，且
M2
、
M3<
/p>
构成反相器。
M1
栅漏短接作为电流源，
并将其栅极电压接到
M2
、
M3
栅极。
MQ
是淬灭开关管，负责淬灭雪崩。<
/p>
MR
是复位开关管，在淬灭结束后，信号控制
MR
导通，为
SPAD
快速充电，
使其反向偏压升至雪崩击穿电压以上。
图
3.3
电
流控制模式的主动淬灭电路
Fig.3.3 Active
quenching schema in current-controlled
mode
在初始状态，
MR
截止，
MQ
导通，<
/p>
SPAD
与
M1
、
MQ
支路导通，构成雪崩支
路。由于
SPAD
处于反向偏置状态，电路中电流极小，
M1
、
MQ
的压降几乎为零，
A
点处于低电平，
SPAD
反向偏压高于雪崩击穿电压，
V
out
处于高电平，电路处于
稳定状态。
有光子进入
SPAD
，瞬间激发雪崩，
SPAD
与
M1
、
MQ
支路中的电流迅速增
加。
< br>M2
的栅极电压迅速升高，
V
o
ut
输出迅速反相。当
V
out
减小至
MQ
的阈值电压
以下时，
MQ
截止，
SPAD
反向偏压降低至雪崩击穿电压以下，雪崩停止，电路中
的电流迅速减小
。当
SPAD
结电容放电结束时，雪崩淬灭完毕。
将
V
out
输出的脉冲电压信号进行整形、比较，输出到计数电路。同时对
V
out
输出信号进行翻转、延时，反馈至
MR
使其导通，为
SPAD
快速充电，
A
点电压
快速下降，
接
近为零，
SPAD
反向偏压升至雪崩击穿电压以上。
SPAD
充电完毕时，
25
重庆大学硕士学位论文
复位结束，电路恢复到初始状态，进入下一个探测周期。
由分析可知该方案需设计精确的延时电路，且需要控制延时电路的延迟时间
< br>T
off
大于淬灭时间
T
q
，以确保淬灭彻底完成，避免生成后脉冲。
3.2.2
延时电路
RC
延时电路的典型结构如图
3.4
所示。
A
点的脉冲电压分为两路，一路直接
接到与非门，
另一路经
RC
电路后接到与非门。
电容的充放电效果导致其两端电压
无法跃
变，
B
点的脉冲电压边沿变平缓。而与非门电路内
NMOS
管有一定的阈值
电压，这就导致
B
点脉冲电压相对
A
点而
言低电平持续时间变长、有效高电平到
达时间相应延后。
与非门
输入电压的变化引起输出电压变化，
经反相器翻转后，
rese
t
端输出的脉冲电压相对输入点
A
的脉
冲电压产生一个大小为
Δt
的延时。
两
端的反
相器起到翻转脉冲电压和缓冲输入输出的作用。延迟时间
Δt
由
R
、
C
及阈值电压
的大小决定，而阈值电压取决于工艺。
图
3.4
RC
延时电路图
Fig.3.4
RC hold-off circuit
设置电阻
R=1KΩ
、电容
C=1pF
、
PMOS
管的宽长比为
1.
1um/0.55um
、
NMOS
管的
宽长比为
1um/0.5um
。仿真可得如图
< br>3.5
所示的波形图，可知电路延迟时间约
为
1
纳秒。延迟时间与
RC
的乘积呈正相关关系，可根据需要调整
R
或
C
的值来
生成不同的延迟时间。
26
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