本實(shí)用新型針對單光子雪崩光電二極管探測器提出了一種可靠性高的淬滅復(fù)位電路和方法，屬于單光子探測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

SPAD(SinglePhotonAvalanche Diode)即單光子雪崩光電二極管。在光電探測領(lǐng)域中，傳統(tǒng)意義上的光電倍增管(PMT)已經(jīng)不能滿足于高速弱光條件下的探測，傳統(tǒng)成像技術(shù)在成像速度和像素靈敏度方面受到了一定的限制，于是開始出現(xiàn)固態(tài)光電倍增管，即單光子雪崩二極管探測器。近年來，利用現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造出高密度、高集成度的SPAD陣列探測器成為這種單光子雪崩二極管探測器的發(fā)展趨勢。

一個(gè)SPAD像素單元包含兩個(gè)電路，一個(gè)是淬滅復(fù)位電路，另一個(gè)是計(jì)數(shù)電路。當(dāng)SPAD被淬滅后，其兩端的偏置電壓需要恢復(fù)到初始高偏壓，等待下一次光子的到來，恢復(fù)SPAD兩端偏壓的過程稱為復(fù)位。在傳統(tǒng)的淬滅復(fù)位電路中，由于僅僅采用普通的反相器來感測雪崩電流，因此在復(fù)位回路中，很容易出現(xiàn)這樣的情況：即在雪崩二極管兩端的偏置電壓下降到雪崩電壓以下時(shí)，就被復(fù)位管將SPAD兩端的偏壓拉回到初始偏壓，導(dǎo)致SPAD探測器并沒有完全淬滅。如果延時(shí)電路的延遲時(shí)間沒有設(shè)計(jì)的足夠長，更容易產(chǎn)生這樣的結(jié)果。因此，在SPAD的淬滅復(fù)位電路中，需要提高淬滅過程的穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對傳統(tǒng)的主動(dòng)淬滅電路的淬滅過程容易失敗的問題，本實(shí)用新型提出了一種可靠性高的淬滅復(fù)位電路，

具體的技術(shù)方案是一種用于單光子雪崩二極管探測器的淬滅復(fù)位電路，該復(fù)位電路包括以下3個(gè)部分：

(1)淬滅回路，由5個(gè)MOS管組成，分別是PMOS管MP9、MP13，NMOS管MN10、MN11、MN15，MN10為MOS二極管接法，即柵極與漏極接在一起，MP13和MN15的柵極接在一起，并直接連接到SPAD的陽極，即a節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成一個(gè)反相器，直接感測雪崩電流，其輸出接MP9和MN11的柵極，當(dāng)a節(jié)點(diǎn)為低電平時(shí)，反相器的輸出m節(jié)點(diǎn)電位為高電平，PMOS管MP9斷開，MN11導(dǎo)通，從而將a節(jié)點(diǎn)保持在低電平；當(dāng)a節(jié)點(diǎn)為高電平時(shí)，m節(jié)點(diǎn)電位為低電平，PMOS管MP9導(dǎo)通，NMOS管MN11斷開，從而將a節(jié)點(diǎn)保持在高電平，這5個(gè)MOS管構(gòu)成了一個(gè)對a節(jié)點(diǎn)電壓變化的正反饋電路。

(2)復(fù)位回路，由17個(gè)MOS管組成，其中包括一個(gè)施密特觸發(fā)器，由PMOS管MP10、MP11、MP12，NMOS管MN12、MN13、MN14組成、一個(gè)延時(shí)電路，由PMOS管MP0、MP1、MP2、MP3、MP4，NMOS管MN0、MN1、MN2、MN3、MN4組成、一個(gè)復(fù)位管NMOS管MN9，施密特觸發(fā)器的輸入為SPAD探測器的陽極，直接感測雪崩電流的變化，施密特觸發(fā)器的輸出，即p節(jié)點(diǎn)，直接連接延時(shí)電路的輸入，施密特觸發(fā)器的輸出電平的變化傳遞給延時(shí)電路，延時(shí)電路由反相器組成，信號經(jīng)過延時(shí)電路傳遞給復(fù)位管NMOS管MN9的柵極，當(dāng)a節(jié)點(diǎn)電位為高電平時(shí)，p節(jié)點(diǎn)電位通過施密特觸發(fā)器變?yōu)榈碗娖?，reset節(jié)點(diǎn)電位經(jīng)過延時(shí)電路變?yōu)楦唠娖剑谑菍節(jié)點(diǎn)電位拉低，進(jìn)行復(fù)位操作；當(dāng)a節(jié)點(diǎn)電位為低電平時(shí)，p節(jié)點(diǎn)電位通過施密特觸發(fā)器變?yōu)楦唠娖?，reset節(jié)點(diǎn)電位經(jīng)過延時(shí)電路變?yōu)榈碗娖?，?fù)位管MN9斷開，此時(shí)a節(jié)點(diǎn)電位保持為低電平。

(3)雪崩信號輸出部分，由8個(gè)MOS管組成，其中包括一個(gè)或非門，由PMOS管MP5、MP6，NMOS管MN5、MN6組成、兩個(gè)反相器，由PMOS管MP7、MP8，NMOS管MN7、MN8組成，或非門的兩個(gè)輸入分別為上述反相器延時(shí)電路的輸入，即p節(jié)點(diǎn)和輸出，即reset節(jié)點(diǎn)，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號經(jīng)過或非門的處理就得到一個(gè)脈寬為延時(shí)電路時(shí)間差的一個(gè)脈沖信號，其比單獨(dú)的p節(jié)點(diǎn)或reset節(jié)點(diǎn)的信號更窄，窄脈沖即q節(jié)點(diǎn)的信號再經(jīng)過一級反相器的處理轉(zhuǎn)化為r節(jié)點(diǎn)信號，再經(jīng)過一級反相器就得到最終輸出即out節(jié)點(diǎn)。

上述復(fù)位回路中的反相器可以是5、7、9級。

本實(shí)用新型的有益效果：

1.本實(shí)用新型的淬滅復(fù)位電路可靠性高：采用具有高閾值電平的施密特觸發(fā)器，確保了SPAD探測器產(chǎn)生的雪崩電流被充分淬滅之后才進(jìn)行復(fù)位操作。

2.本實(shí)用新型電路產(chǎn)生的雪崩脈沖波形質(zhì)量高：通過一個(gè)或非門將雪崩信號變成窄脈沖，之后兩級反相器將這窄脈沖整形之后作為最終輸出雪崩脈沖，使得輸出脈沖更加陡直，易于計(jì)數(shù)電路的處理。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型淬滅電路的電路圖。

圖2為本實(shí)用新型淬滅電路的仿真時(shí)間為5μs的結(jié)果圖。

圖3為本實(shí)用新型淬滅電路的圖2的局部放大圖。

圖4為本實(shí)用新型淬滅電路對應(yīng)的版圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合說明書附圖對本實(shí)用新型專利作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1所示，為本實(shí)用新型淬滅復(fù)位電路圖。該電路由一個(gè)雪崩二極管SPAD、14個(gè)NMOS管和16個(gè)PMOS管構(gòu)成，具體包括：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的陰極(圖1中為k節(jié)點(diǎn))接偏置電壓(Vbreak+Vex)；NMOS管MN9是復(fù)位管，其柵極接延時(shí)電路的輸出(PMOS管MP0的漏極)，漏極接二極管SPAD的陽極(圖1中為a節(jié)點(diǎn))；NMOS管MN10的漏極和柵極連在一起，形成一個(gè)小電阻的MOS二極管的結(jié)構(gòu)，為雪崩電流提供一個(gè)低阻通路；PMOS管MP9的源極接VDD，漏極接MN10的柵極；NMOS管MN11的漏極接MN10的源極，其柵極接PMOS管MP9的柵極；PMOS管MP13和NMOS管MN15構(gòu)成一個(gè)低閾值的反相器。PMOS管MP10、MP11、MP12，NMOS管MN12、MN13、MN14構(gòu)成了一個(gè)施密特觸發(fā)器；NMOS管MN0、MN1、MN2、MN3、MN4，PMOS管MP0、MP1、MP2、MP3、MP4構(gòu)成一個(gè)由反相器組成的延時(shí)電路，延時(shí)電路的輸入為NMOS管MP4的柵極，在圖中對應(yīng)于p節(jié)點(diǎn)，延時(shí)電路的輸出為PMOS管MP0的漏極，在圖1中對應(yīng)于reset節(jié)點(diǎn)；NMOS管MN5、MN6，PMOS管MP5、MP6構(gòu)成一個(gè)或非門，與非門的兩個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)分別為p節(jié)點(diǎn)和reset節(jié)點(diǎn)；NMOS管MN7，PMOS管MP7構(gòu)成一個(gè)反相器，其輸入為或非門的輸出(圖1中為q節(jié)點(diǎn))；NMOS管MN8、PMOS管MP8構(gòu)成最后一級反相器，其輸入為前一級反相器的輸出(圖1中為r節(jié)點(diǎn))，這兩個(gè)反相器的作用是給輸出的雪崩脈沖整形。

單光子雪崩二極管(SPAD)探測器被偏置在擊穿電壓以上(Vbreak+Vex)，此時(shí)處于改革模式。其中Vbreak為擊穿電壓，Vex為偏置電壓超過雪崩電壓的部分，通常稱為過偏壓。處于改革模式下的SPAD探測器一旦接受到光子(即使是單個(gè)光子)，感光區(qū)的載流子就會(huì)產(chǎn)生碰撞，從而在強(qiáng)電場的作用下發(fā)生雪崩現(xiàn)象。如果短時(shí)間內(nèi)將SPAD的偏置電壓降到擊穿電壓以下，雪崩過程就會(huì)終止，SPAD探測器被淬滅。

如圖1所示，電路包括三個(gè)部分：淬滅回路(為正反饋回路)，復(fù)位回路(為負(fù)反饋回路)，雪崩脈沖輸出信號處理部分。在初始狀態(tài)，SPAD的陽極(圖1中的a節(jié)點(diǎn))處于0電位，p節(jié)點(diǎn)電位和m節(jié)點(diǎn)電位處于高電位，reset節(jié)點(diǎn)電位處于0電位。當(dāng)SPAD探測器接收到光子時(shí)，會(huì)產(chǎn)生雪崩電流，有大量正電荷從SPAD的陰極(k節(jié)點(diǎn))流向陽極(a節(jié)點(diǎn))，于是a節(jié)點(diǎn)電位開始上升，當(dāng)a節(jié)點(diǎn)電位上升到電源電壓的一半時(shí)，由MP13和MN15組成的反相器的輸出(m點(diǎn))就開始由電源電壓降低到0電位，即NMOS管MN9和MN11的柵極降低到0電位，MN11的柵極降低，使得MN11的溝道電阻增大，此時(shí)雪崩電流的泄放路徑被阻擋住。此外，MP9的柵極電位降低導(dǎo)致MP9的溝道電阻降低，電流直接從MP9的源極(接電源電壓)流到其漏極，促進(jìn)了a節(jié)點(diǎn)電位迅速升高。于是電路能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成淬滅的過程。

關(guān)于復(fù)位回路，只有當(dāng)a節(jié)點(diǎn)電位超過電源電壓的一半并達(dá)到施密特反相器的上閾值(即SPAD的偏置電壓達(dá)到雪崩電壓以下)時(shí)，施密特觸發(fā)器才開始啟動(dòng)，其輸出(圖1中為p節(jié)點(diǎn))開始由高電平降低，即反相器延時(shí)電路(以下稱為延時(shí)電路)的輸入降低，由于延時(shí)電路是由奇數(shù)個(gè)反相器組成(5級反相器)，所以延時(shí)電路輸出(圖1中為reset節(jié)點(diǎn))升高，即NMOS管MN9(復(fù)位管)的柵極電壓升高，從而MN9導(dǎo)通，在二極管SPAD的陽極與地之間形成一個(gè)電流通路，于是a節(jié)點(diǎn)電位重新回到0電位，而此時(shí)施密特觸發(fā)器的輸出會(huì)升高，經(jīng)過一個(gè)延時(shí)電路，NMOS管MN9的柵極變?yōu)榈碗娖?，?fù)位管MN9斷開。此時(shí)a節(jié)點(diǎn)電位保持為0電位，等待下一次光子信號的到來。

整個(gè)淬滅復(fù)位電路感應(yīng)了雪崩電流之后，要將雪崩電流的信號輸出到計(jì)數(shù)電路中去。本實(shí)用新型將輸出延時(shí)電路的輸入和輸出節(jié)點(diǎn)通過輸出支路進(jìn)行處理，并得到最終的輸出。輸出支路包括1個(gè)或非門、2個(gè)反相器。q節(jié)點(diǎn)和reset節(jié)點(diǎn)作為或非門的兩個(gè)輸入端，于是得到一個(gè)窄脈沖，在經(jīng)過兩級反相器的整形，使得輸出脈沖的上升和下降時(shí)間更短，波形更為理想，易于后續(xù)計(jì)數(shù)電路的處理。

為便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本實(shí)用新型，現(xiàn)在提供一個(gè)具體實(shí)施實(shí)例：本實(shí)用新型基于中芯國際0.18μm的CMOS工藝對上述淬滅復(fù)位電路進(jìn)行了仿真，仿真參數(shù)具體如下：電源電壓為3.3V；本仿真采用的SPAD的VerilogA模型的雪崩擊穿電壓為12.2V，過偏壓為2.1V，因此偏置電壓為14.3V；光子脈沖用電壓脈沖代替，脈沖寬度為100ps，脈沖周期為300ns?；谝陨戏抡鎱?shù)，本實(shí)用新型進(jìn)行了時(shí)長5us的仿真并得到如圖2和圖3所示的仿真結(jié)果圖。圖2中的橫坐標(biāo)為仿真時(shí)間，7個(gè)縱坐標(biāo)分別為電路中的光子模擬脈沖信號(photon)和6個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓信號，這6個(gè)電壓信號依次為a節(jié)點(diǎn)、p節(jié)點(diǎn)、reset節(jié)點(diǎn)、q節(jié)點(diǎn)、r節(jié)點(diǎn)、out節(jié)點(diǎn)。從圖2中可以看見，在沒有光子脈沖到來的時(shí)候，SPAD二極管也會(huì)產(chǎn)生雪崩大電流，這是由于在SPAD的VerilogA模型中加入了一定的發(fā)生幾率的暗計(jì)數(shù)和后脈沖的因子，這樣的模型更加接近真實(shí)工藝制造出來的SPAD探測器。圖3為圖2的橫坐標(biāo)取419ns到438ns的局部放大圖，詳細(xì)地描述了本實(shí)用新型的淬滅復(fù)位電路的工作過程。從圖3中可以看出，本實(shí)用新型的淬滅復(fù)位電路的死時(shí)間為14.2ns，施密特觸發(fā)器在a節(jié)點(diǎn)電壓上升到2.25V時(shí)才發(fā)生翻轉(zhuǎn)，二極管兩端的偏置電壓已經(jīng)低于12.05V，之后a節(jié)點(diǎn)電壓繼續(xù)上升，二極管兩端電壓繼續(xù)下降，遠(yuǎn)低于擊穿電壓，說明SPAD探測器的大電流已經(jīng)被充分淬滅。該施密特觸發(fā)器在a節(jié)點(diǎn)電壓降低到1.1V時(shí)，才發(fā)生翻轉(zhuǎn)。從p節(jié)點(diǎn)和reset節(jié)點(diǎn)可以看出5級反相器延時(shí)電路所產(chǎn)生的平均延時(shí)為3.5ns。在這3.5ns的時(shí)間內(nèi)，足夠使得a節(jié)點(diǎn)電壓繼續(xù)爬升到較高的電壓(SPAD探測器兩端的偏置電壓降低到偏置電壓以下)。p節(jié)點(diǎn)和reset節(jié)點(diǎn)為輸出級中的或門電路的兩個(gè)輸入端，或非門的輸出節(jié)點(diǎn)為q節(jié)點(diǎn)。只有在或非門兩個(gè)輸入信號同時(shí)為0電位時(shí)，輸出q節(jié)點(diǎn)才為高電平，其他輸入狀態(tài)對應(yīng)的輸出q節(jié)點(diǎn)都為0電位，節(jié)點(diǎn)q的仿真波形如圖3的第5行所示。q節(jié)點(diǎn)的信號經(jīng)過一個(gè)反相器傳輸?shù)絩節(jié)點(diǎn)，r節(jié)點(diǎn)的信號經(jīng)過一個(gè)反相器傳輸?shù)阶罱K輸出節(jié)點(diǎn)out的信號，于是在仿真圖中，q節(jié)點(diǎn)的波形翻轉(zhuǎn)后得到r節(jié)點(diǎn)的波形，r節(jié)點(diǎn)的波形翻轉(zhuǎn)后得到out節(jié)點(diǎn)的波形。所以out節(jié)點(diǎn)的波形與q節(jié)點(diǎn)的波形同步變化，但是脈沖上升和下降的時(shí)間更短，波形更加理想。

圖4為本實(shí)用新型的淬滅復(fù)位電路的版圖設(shè)計(jì)，其中包括1個(gè)SPAD探測器、14個(gè)NMOS管和16個(gè)PMOS管。該SPAD探測器的直徑為26μm，PMOS管MP0、MP1、MP2、MP3、MP4的寬度和長度分別為350nm和2μm；NMOS管MN0、MN1、MN2、MN3、MN4的寬度和長度分別為350nm和1.5μm；PMOS管MP5、MP6的寬度和長度分別為1μm和300nm；NMOS管MN5、MN6、MN7、MN8的寬度和長度分別為1μm和350nm；PMOS管MP7、MP8的寬度和長度分別為2μm和300nm；PMOS管MP9的寬度和長度分別為2μm和300nm；NMOS管MN9的寬度和長度分別為3μm和350nm；NMOS管MN10的寬度和長度分別為500nm和1μm；NMOS管MN11的寬度和長度分別為1μm和500nm；PMOS管MP10、MP11、MP12的寬度和長度分別為1μm和300nm；NMOS管MN12、MN13、MN14的寬度和長度分別為400nm和350nm；PMOS管MP13的寬度和長度分別為500nm和350nm；NMOS管MN15的寬度和長度分別為3μm和350nm；最終設(shè)計(jì)出來的淬滅復(fù)位電路的版圖如圖4所示。