本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于陣列型單光子雪崩二極管的緊湊型檢測(cè)淬滅電路，屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
單光子探測(cè)技術(shù)是一種基于單光子的探測(cè)技術(shù)，它可以檢測(cè)極微弱的光信號(hào)，是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新興的探測(cè)技術(shù)。它可以應(yīng)用于醫(yī)療診斷、天文觀測(cè)、國(guó)防軍事、光譜測(cè)量、量子電子學(xué)等領(lǐng)域。工作于蓋革模式的雪崩光電二極管(AvalanchePhotoDiode，APD)是一種應(yīng)用最為廣泛的單光子探測(cè)器。APD工作于蓋革模式時(shí)反向偏置電壓高于其雪崩電壓，具有極高的電流增益，可檢測(cè)到單光子，因此被稱為單光子雪崩光電二極管(SPAD)。當(dāng)SPAD感應(yīng)到單個(gè)光子時(shí)，光子在耗盡層被吸收并轉(zhuǎn)化為電子-空穴對(duì)，光生電子-空穴對(duì)能夠以一定的概率觸發(fā)雪崩擊穿，雪崩能夠自我維持，使得電流迅速增加，在亞納秒時(shí)間內(nèi)雪崩電流能夠迅速上升至毫安量級(jí)。在蓋革模式下，雪崩擊穿是一種自持的行為，雪崩電流需要及時(shí)的淬滅，否則持續(xù)的雪崩電流會(huì)產(chǎn)生過度的功耗，造成探測(cè)器發(fā)熱，并且無法進(jìn)行下一次檢測(cè)。所以，SPAD需要相應(yīng)的高速淬滅電路與之配合。當(dāng)前，隨著單片集成技術(shù)和混合集成技術(shù)的發(fā)展以及探測(cè)器制作水平的提高，SPAD正向陣列化發(fā)展。SPAD陣列規(guī)模的擴(kuò)大給淬滅電路的設(shè)計(jì)帶來了極大的難度。具體表現(xiàn)為：1、在凸點(diǎn)集成方式中，SPAD像素陣列與讀出電路像素陣列是一一對(duì)應(yīng)連接的，即每個(gè)讀出電路像素單元的面積、位置應(yīng)和相應(yīng)的SPAD像素單元嚴(yán)格的匹配。即讀出電路的像素單元面積由SPAD像素的間距決定。為了獲得較大的光敏面積填充系數(shù)，提高SPAD的量子效率，SPAD的像素間距需要足夠的小，因此讀出電路的像素單元面積受到了嚴(yán)格的限制作為像素重要組成模塊的淬滅電路也同樣有緊湊型面積的要求。2、在大陣列應(yīng)用中，像素電路的數(shù)量成倍增加，單個(gè)像素電路的功耗增加會(huì)對(duì)整個(gè)芯片產(chǎn)生很大的影響。從靜態(tài)功耗考慮，大陣列讀出電路的版圖比較大，如果像素靜態(tài)電流過大，會(huì)導(dǎo)致在引線的電壓跌落較大，引起芯片內(nèi)部工作電壓的不均勻跌落。從動(dòng)態(tài)功耗的角度來看，所有像素的瞬態(tài)啟動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，而當(dāng)負(fù)載瞬態(tài)電流發(fā)生變化時(shí)，由于負(fù)載芯片內(nèi)部晶體管電平轉(zhuǎn)換速度極快，必須在極短的時(shí)間內(nèi)為負(fù)載芯片提供足夠的電流。但是穩(wěn)壓電源無法很快響應(yīng)負(fù)載電流的變化，導(dǎo)致電流無法即刻響應(yīng)負(fù)載瞬態(tài)電流的變化，造成負(fù)載芯片電壓的跌落。因此，讀出電路系統(tǒng)功耗的降低尤為重要。而讀出電路中，最大的功耗來源就是像素電路，淬滅電路作為像素電路的組成部分，其功耗也受到了嚴(yán)格的限制。3、大陣列淬滅電路的設(shè)計(jì)不僅受到面積和功耗的限制，同時(shí)還需要克服大陣列應(yīng)用的不均勻性、噪聲、光學(xué)串?dāng)_、后脈沖等非理想因素的影響。其中光學(xué)串?dāng)_、后脈沖效應(yīng)發(fā)生的幾率正比于SPAD在雪崩過程中產(chǎn)生的雪崩電荷數(shù)量，因此減少雪崩電荷數(shù)量可有效抑制光學(xué)串?dāng)_、后脈沖效應(yīng)。故淬滅電路的負(fù)載電容應(yīng)盡量小，淬滅速度應(yīng)盡量快。另外，為減小淬滅電路的死區(qū)時(shí)間，復(fù)位時(shí)間也不宜過長(zhǎng)。淬滅電路經(jīng)歷了被動(dòng)淬滅到主動(dòng)淬滅的發(fā)展，而后又出現(xiàn)了主被動(dòng)混合式淬滅和門控模式?，F(xiàn)在已有的淬滅電路大多是基于電阻檢測(cè)設(shè)計(jì)的，然而電阻等無源器件的使用會(huì)擴(kuò)大版圖面積、增加瞬態(tài)功耗，不利于大規(guī)模集成。少數(shù)基于電容檢測(cè)的淬滅電路又因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、面積過大或存在電荷分享問題等難以應(yīng)用到陣列中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種應(yīng)用于陣列型單光子雪崩二極管的緊湊型檢測(cè)淬滅電路：首先，本發(fā)明利用SPAD結(jié)電容感應(yīng)雪崩電流，采用單管對(duì)SPAD陽極電壓進(jìn)行檢測(cè)，以提高感應(yīng)和檢測(cè)速度，并降低電路的面積；同時(shí)，本發(fā)明利用電容的充電特性，使得對(duì)瞬態(tài)功耗的需求較普通的電阻檢測(cè)方法大大降低，能夠降低對(duì)供電電源的要求；另外，本發(fā)明針對(duì)不同SPAD的特性，通過設(shè)置可調(diào)時(shí)間的復(fù)位電路，以增加電路應(yīng)用的靈活性。技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種應(yīng)用于陣列型單光子雪崩二極管的緊湊型檢測(cè)淬滅電路，用于SPAD探測(cè)光子信息并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括第一PMOS管M1、第二NMOS管M2、第三PMOS管M3、第四NMOS管M4、第五PMOS管M5、第一反相器I1和單穩(wěn)態(tài)電路，單穩(wěn)態(tài)電路用于產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)REC；第一PMOS管M1的柵極接外部輸入的門控信號(hào)EN，源極接電源VDD，漏極接SPAD陽極；第二NMOS管M2的柵極接復(fù)位信號(hào)REC，源極接地GND，漏極接SPAD陽極；第三PMOS管M3的柵極接第五PMOS管M5的漏極，源極接電源VDD，漏極接SPAD陽極；第四NMOS管M4的柵極接SPAD陽極，源極接地GND，漏極接第三PMOS管M3的柵極；第五PMOS管M5的柵極接復(fù)位信號(hào)REC的反信號(hào)，源極接電源VDD，漏極接第三PMOS管M3的柵極；單穩(wěn)態(tài)電路的輸入端接外部輸入的門控信號(hào)EN；第一反相器I1的輸入端接第三PMOS管M3的柵極，輸出端作為整個(gè)緊湊型檢測(cè)淬滅電路的輸出端；所述SPAD為單光子雪崩光電二極管。具體的，所述單穩(wěn)態(tài)電路采用上升沿觸發(fā)方式，包括第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第一與非門NAND1、第二與非門NAND2和一個(gè)外置電容CEXT；第一反相器INV1的輸入端作為單穩(wěn)態(tài)電路的輸入端接入外部輸入的門控信號(hào)EN，輸出端接第一與非門NAND1的一個(gè)輸入端；第一與非門NAND1的一個(gè)輸入端接第一反相器INV1的輸出端，另一個(gè)輸入端接第二與非門NAND2的輸出端，輸出端接第二反相器INV2的輸入端；第二反相器INV2的輸入端接第一與非門NAND1的輸出端，輸出端接第二與非門NAND2的一個(gè)輸入端；第二與非門NAND2的一個(gè)輸入端接第二反相器INV2的輸出端，另一個(gè)輸入端接第一與非門NAND1的輸出端，輸出端接第三反相器INV3的輸入端；第三反相器INV3的輸入端接第二與非門NAND2的輸出端，輸出端作為單穩(wěn)態(tài)電路的輸出端接出復(fù)位信號(hào)REC；外置電容CEXT的一端接第二反相器INV2的輸出端，另一端接地GND。SPAD產(chǎn)生的雪崩電流僅用于對(duì)SPAD的結(jié)電容CS和IN點(diǎn)的寄生電容充電，以提高IN點(diǎn)的電位，即SPAD產(chǎn)生的雪崩電流沒有流到其它支路產(chǎn)生額外功耗。由于IN點(diǎn)的寄生電容相對(duì)于SPAD的結(jié)電容CS來說非常小，因此可認(rèn)為淬滅電路僅利用SPAD的結(jié)電容CS對(duì)SPAD產(chǎn)生的雪崩電流信號(hào)進(jìn)行I-Q-V積分變換，將雪崩電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。有益效果：本發(fā)明提供的應(yīng)用于陣列型單光子雪崩二極管的緊湊型檢測(cè)淬滅電路，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下優(yōu)勢(shì)：1、相對(duì)傳統(tǒng)的反相器，該淬滅電路采用單管比較器檢測(cè)SPAD陽極電壓，一方面單管比較器在IN點(diǎn)引入的寄生電容更小，另一方面單管比較器的檢測(cè)速度快、檢測(cè)閾值低；2、該淬滅電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不存在電荷分享問題，電路中不存在無源器件，僅利用SPAD結(jié)電容將感應(yīng)到的雪崩電流進(jìn)行I-Q-V積分轉(zhuǎn)換將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)單管比較器處理后輸出脈沖信號(hào)；此結(jié)構(gòu)一方面可有效減小淬滅電路面積、降低電路瞬態(tài)功耗，另一方面可加快檢測(cè)速率，縮短淬滅時(shí)間，減少流過SPAD的雪崩電荷數(shù)量；3、該淬滅電路利用內(nèi)置單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生所需復(fù)位信號(hào)，可減少所需外部控制信號(hào)數(shù)量；所述單穩(wěn)態(tài)電路采用外置電容方式實(shí)現(xiàn)，針對(duì)不同探測(cè)器的性能可通過改變外置電容大小靈活調(diào)整復(fù)位脈寬大小。附圖說明圖1為本發(fā)明提供電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明電路中單穩(wěn)態(tài)電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明提供電路的時(shí)序圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。如圖1所示為一種應(yīng)用于陣列型單光子雪崩二極管的緊湊型檢測(cè)淬滅電路，包括第一PMOS管M1、第二NMOS管M2、第三PMOS管M3、第四NMOS管M4、第五PMOS管M5、第一反相器I1和單穩(wěn)態(tài)電路，單穩(wěn)態(tài)電路用于產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)REC；第一PMOS管M1的柵極接外部輸入的門控信號(hào)EN，源極接電源VDD，漏極接SPAD陽極；第二NMOS管M2的柵極接復(fù)位信號(hào)REC，源極接地GND，漏極接SPAD陽極；第三PMOS管M3的柵極接第五PMOS管M5的漏極，源極接電源VDD，漏極接SPAD陽極；第四NMOS管M4的柵極接SPAD陽極，源極接地GND，漏極接第三PMOS管M3的柵極；第五PMOS管M5的柵極接復(fù)位信號(hào)REC的反信號(hào)，源極接電源VDD，漏極接第三PMOS管M3的柵極；單穩(wěn)態(tài)電路的輸入端接外部輸入的門控信號(hào)EN；第一反相器I1的輸入端接第三PMOS管M3的柵極，輸出端作為整個(gè)緊湊型檢測(cè)淬滅電路的輸出端；所述SPAD為單光子雪崩光電二極管。如圖2所示，所述單穩(wěn)態(tài)電路采用上升沿觸發(fā)方式，包括第一反相器INV1、第二反相器INV2、第三反相器INV3、第一與非門NAND1、第二與非門NAND2和一個(gè)外置電容CEXT；第一反相器INV1的輸入端作為單穩(wěn)態(tài)電路的輸入端接入外部輸入的門控信號(hào)EN，輸出端接第一與非門NAND1的一個(gè)輸入端；第一與非門NAND1的一個(gè)輸入端接第一反相器INV1的輸出端，另一個(gè)輸入端接第二與非門NAND2的輸出端，輸出端接第二反相器INV2的輸入端；第二反相器INV2的輸入端接第一與非門NAND1的輸出端，輸出端接第二與非門NAND2的一個(gè)輸入端；第二與非門NAND2的一個(gè)輸入端接第二反相器INV2的輸出端，另一個(gè)輸入端接第一與非門NAND1的輸出端，輸出端接第三反相器INV3的輸入端；第三反相器INV3的輸入端接第二與非門NAND2的輸出端，輸出端作為單穩(wěn)態(tài)電路的輸出端接出復(fù)位信號(hào)REC；外置電容CEXT的一端接第二反相器INV2的輸出端，另一端接地GND。上述單穩(wěn)態(tài)電路中，當(dāng)外部輸入的門控信號(hào)EN由0跳變到1時(shí)，由于外置電容CEXT和第二反相器INV2的存在，會(huì)使得復(fù)位信號(hào)REC短暫保持高電平，即出現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)；該單穩(wěn)態(tài)電路采用與非門而不是異或門進(jìn)行設(shè)計(jì)，原因在于淬滅電路僅需要單穩(wěn)態(tài)電路選擇性地進(jìn)入高電平的暫穩(wěn)態(tài)。另外，針對(duì)不同SPAD的性能，該單穩(wěn)態(tài)電路可通過改變外置電容CEXT的大小靈活調(diào)整復(fù)位信號(hào)REC的脈寬長(zhǎng)度。上述緊湊型檢測(cè)淬滅電路中：所述第一PMOS管M1構(gòu)成門控電路，用于接收外部輸入的門控信號(hào)EN，通過外部輸入的門控信號(hào)EN控制第一PMOS管M1導(dǎo)通或關(guān)斷；所述第三PMOS管M3構(gòu)成主動(dòng)淬滅電路，用于控制SPAD陽極的電位，當(dāng)?shù)谌齈MOS管M3導(dǎo)通時(shí)可將SPAD陽極的電位迅速上拉至高電平從而加速淬滅過程，減少流過SPAD的雪崩電荷；所述第二NMOS管M2作為復(fù)位管，第二NMOS管M2和單穩(wěn)態(tài)電路一起構(gòu)成復(fù)位電路，外部輸入的門控信號(hào)EN作為單穩(wěn)態(tài)電路的輸入信號(hào)，單穩(wěn)態(tài)電路的輸出信號(hào)用于控制復(fù)位管(第二NMOS管M2)導(dǎo)通或關(guān)斷，當(dāng)復(fù)位管導(dǎo)通而門控電路關(guān)斷時(shí)，SPAD陽極的電位下拉至零并處于待檢測(cè)狀態(tài)。上述緊湊型檢測(cè)淬滅電路中：所述第五PMOS管M5作為預(yù)充電管，第四NMOS管M4作為單管比較器，預(yù)充電管、單管比較器、第一反相器I1和SPAD的結(jié)電容CS一起構(gòu)成快速檢測(cè)電路，用于感應(yīng)、檢測(cè)SPAD產(chǎn)生的雪崩電流信號(hào)；該快速檢測(cè)電路僅利用SPAD的結(jié)電容CS對(duì)SPAD產(chǎn)生的雪崩電流信號(hào)進(jìn)行I-Q-V積分變換，將雪崩電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，單管比較器迅速檢測(cè)SPAD陽極的電位并輸出脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)通過第一反相器I1進(jìn)行整形并增加驅(qū)動(dòng)能力。上述快速檢測(cè)電路僅利用SPAD的結(jié)電容CS對(duì)SPAD產(chǎn)生的雪崩電流信號(hào)進(jìn)行I-Q-V積分變換，將雪崩電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，具有如下的優(yōu)勢(shì)：1、從面積方面看：利用SPAD的結(jié)電容CS感應(yīng)雪崩電流而不用電阻感應(yīng)雪崩電流可減小電路版圖面積；2、從檢測(cè)速度方面看：當(dāng)采用電阻感應(yīng)雪崩電流時(shí)，雪崩電流會(huì)被分為兩個(gè)支路，一支路給SPAD的結(jié)電容CS充電，另一支路通過電阻流入地；當(dāng)采用SPAD的結(jié)電容CS感應(yīng)電壓時(shí)，所有雪崩電流都用來給SPAD的結(jié)電容CS充電；因此采用SPAD的結(jié)電容CS感應(yīng)雪崩電流可加速感應(yīng)過程，進(jìn)而加快檢測(cè)速度；3、從功耗方面看：當(dāng)采用電阻感應(yīng)雪崩電流時(shí)，在感應(yīng)過程和淬滅過程中電阻會(huì)額外消耗雪崩電流并產(chǎn)生不必要功耗，而采用SPAD的結(jié)電容CS感應(yīng)雪崩電流則在動(dòng)態(tài)功耗方面存在優(yōu)勢(shì)。一般的陣列式淬滅電路主要采用反相器對(duì)雪崩電流進(jìn)行檢測(cè)，而在雪崩電流的檢測(cè)過程中，實(shí)際只需對(duì)IN點(diǎn)的上升電壓進(jìn)行檢測(cè)。本案淬滅電路的快速檢測(cè)電路中采用了單管比較器，具有如下優(yōu)勢(shì)：1、單個(gè)NMOS管相對(duì)于反相器在IN點(diǎn)引入的寄生電容更低，可以加快對(duì)雪崩電流的感應(yīng)速度，進(jìn)而提高系統(tǒng)的檢測(cè)速度；2、單個(gè)NMOS管還具有檢測(cè)速度快和檢測(cè)閾值低的優(yōu)點(diǎn)。單管比較器的這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)十分有利于本案淬滅電路的大規(guī)模集成。理論上單個(gè)NMOS管的翻轉(zhuǎn)閾值VM′等于NMOS管的閾值電壓VTN，而反相器的翻轉(zhuǎn)閾值VM則可表示為：其中：kn＝μnCox(W/L)n，kp＝μpCox(W/L)p，μn和μp分別為NMOS管和PMOS管的電子遷移率，Cox為單位面積的柵氧化層電容，(W/L)n和(W/L)p分別為NMOS管和PMOS管的寬長(zhǎng)比，VTN和VTP分別為NMOS管和PMOS管的閾值電壓，VDD為淬滅電路采用的電源電壓。在0.35μm工藝中，VTN＝0.7V，VTP＝-1.2V，當(dāng)VDD＝5V時(shí)，上述公式可化簡(jiǎn)為：根據(jù)上式可看出，盡管反相器的翻轉(zhuǎn)閾值VM可以通過設(shè)置(W/L)p＞(W/L)n來降低，但是其始終無法低于NMOS管的閾值電壓VTN，即單個(gè)NMOS管檢測(cè)閾值低于反相器的檢測(cè)閾值。結(jié)合圖3說明本案淬滅電路的工作過程：①在穩(wěn)定的關(guān)斷狀態(tài)下，即外部輸入的門控信號(hào)EN的高電平到來前，第二NMOS管M2關(guān)斷，第一PMOS管M1導(dǎo)通，將IN點(diǎn)的電位上拉到VDD，SPAD處于關(guān)斷狀態(tài)，第四NMOS管M4導(dǎo)通，第三PMOS管M3導(dǎo)通，以維持IN點(diǎn)的電位為VDD，最終OUT輸出為高電平。②當(dāng)外部輸入的門控信號(hào)EN上升沿到來，門控電路開啟，同時(shí)復(fù)位信號(hào)REC到來，開始復(fù)位過程，此時(shí)第二NMOS管M2導(dǎo)通，第一PMOS管M1關(guān)斷，第五PMOS管M5導(dǎo)通，第三PMOS管M3關(guān)斷，將IN點(diǎn)的電位復(fù)位至GND，OUT輸出為低電平。由于在IN點(diǎn)復(fù)位前SPAD無法檢測(cè)光子，所以復(fù)位信號(hào)REC需要盡可能與外部輸入的門控信號(hào)EN上升沿同步，減小死區(qū)時(shí)間。③IN點(diǎn)復(fù)位結(jié)束時(shí)，復(fù)位信號(hào)REC置0，進(jìn)入檢測(cè)模式；此時(shí)當(dāng)SPAD檢測(cè)到光子(或后脈沖或發(fā)生暗計(jì)數(shù))就會(huì)產(chǎn)生雪崩電流，對(duì)IN點(diǎn)的寄生電容進(jìn)行充電，IN點(diǎn)的電位上升到第四NMOS管M4的開啟電壓，第四NMOS管M4導(dǎo)通，第三PMOS管M3的柵極電壓下降，第三PMOS管M3導(dǎo)通并開始主動(dòng)淬滅，進(jìn)一步加快IN點(diǎn)的電位上升至VDD。同時(shí)，當(dāng)IN點(diǎn)的電位上升至反相器I1的檢測(cè)閾值時(shí)，輸出OUT發(fā)生翻轉(zhuǎn)，完成檢測(cè)。此后，電路會(huì)一直處于關(guān)斷狀態(tài)，直至外部輸入的門控信號(hào)EN和復(fù)位REC信號(hào)再次到來。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。