本發(fā)明是一種應(yīng)用于單光子探測器的控制電路和陣列架構(gòu)，該控制電路能夠快速實(shí)現(xiàn)對(duì)單光子雪崩二極管雪崩現(xiàn)象的淬滅，復(fù)位以及信號(hào)的讀出，并且探測周期可調(diào)。整體的控制電路以及該電路所構(gòu)成的陣列架構(gòu)簡單，集成度高，與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝完全兼容，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模成像探測陣列。

背景技術(shù)：

單光子雪崩二極管（spad）自從被提出以來，因其極快的響應(yīng)速度和極高的靈敏度等特性，成為弱光探測和高速成像研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)。單光子雪崩二極管的簡單結(jié)構(gòu)實(shí)際上就是一個(gè)二極管，如圖1所示，其工作電壓在二極管pn結(jié)反向擊穿電壓以上，即蓋革模式，所以器件中耗盡層電場很高，這個(gè)高電場足以使其中的載流子獲得足夠的能量，通過碰撞離化效應(yīng)發(fā)生雪崩現(xiàn)象，產(chǎn)生一個(gè)大電流，從而將一個(gè)載流子放大到一個(gè)可觀測的大電流。在蓋革模式下，入射光進(jìn)入耗盡區(qū)后，光子被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)。電子和空穴在耗盡區(qū)強(qiáng)電場作用下加速獲得足夠的能量并與晶格碰撞產(chǎn)生另一對(duì)電子空穴對(duì)，如此反復(fù)進(jìn)行下去，形成一個(gè)連鎖反應(yīng)，最終結(jié)果是將一個(gè)光子產(chǎn)生的電子空穴對(duì)放大到大量的電子空穴對(duì)，構(gòu)成一個(gè)可觀測的光電流，這就是pn結(jié)的雪崩現(xiàn)象。

單光子雪崩二極管在產(chǎn)生雪崩效應(yīng)后，如果不進(jìn)行遏制，二極管長時(shí)間處于大電流狀態(tài)，容易燒毀器件，并且無法進(jìn)行下一次探測。因此，需要額外的電路將這個(gè)大電流抑制下去，這就是淬滅電路的作用。有了淬滅電路的存在，蓋革模式下的二極管探測光信號(hào)就會(huì)表現(xiàn)出一個(gè)個(gè)電流脈沖，在沒有暗噪聲的情況下，一個(gè)脈沖電流就代表一個(gè)光子信號(hào)。如果要進(jìn)行高速的探測，就要求每一個(gè)電流脈沖的時(shí)間越短越好，這個(gè)脈沖時(shí)間主要就是由淬滅電路決定，因此，為了使單光子雪崩二極管工作速度快，淬滅電路就需要特別的設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的淬滅電路分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。被動(dòng)模式的淬滅電路是在雪崩二極管上串聯(lián)一個(gè)大電阻，如圖2所示，通過串聯(lián)分壓的原理，在二極管雪崩狀態(tài)下，雪崩電流在大電阻上產(chǎn)生一個(gè)電壓降，使得二極管兩端的電壓降低至雪崩擊穿電壓以下，從而使雪崩現(xiàn)象停止。當(dāng)電流逐漸減小時(shí)，大電阻兩端的電壓減小，而二極管兩端的電壓就逐漸恢復(fù)至初始狀態(tài)，重新進(jìn)行下一次探測。被動(dòng)模式淬滅電路設(shè)計(jì)簡單，但是淬滅和恢復(fù)時(shí)間較長，不利于高速探測的應(yīng)用。在現(xiàn)代技術(shù)中，主動(dòng)模式淬滅電路已經(jīng)成為主要應(yīng)用，其特點(diǎn)是淬滅和恢復(fù)時(shí)間比被動(dòng)模式快，而且可控。圖3所示為一種傳統(tǒng)的主動(dòng)模式淬滅電路，其設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，而且由于電路占用更多的面積，導(dǎo)致探測器的占空比難以提高。

此外，由于單光子雪崩二極管每次探測到一個(gè)光子信號(hào)時(shí)，都將發(fā)生雪崩效應(yīng)，雪崩電流瞬間達(dá)到毫安級(jí)別，如果大規(guī)模的單光子雪崩二極管陣列同時(shí)工作，電流將非常巨大，產(chǎn)生的功耗也將隨著陣列規(guī)模上升而急劇上升，不利于大規(guī)模陣列設(shè)計(jì)。

本發(fā)明提出的一種應(yīng)用于單光子探測器的控制電路和陣列架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)探測器雪崩現(xiàn)象的快速淬滅、復(fù)位以及信號(hào)讀取，且探測周期可根據(jù)需要調(diào)整。整體電路架構(gòu)簡單，大幅度提高探測器占空比，易于探測器的大規(guī)模集成。本發(fā)明的控制電路有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題和難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出的一種應(yīng)用于單光子探測器的控制電路和陣列架構(gòu)，用于對(duì)單光子雪崩二極管的雪崩現(xiàn)象的淬滅、復(fù)位和信號(hào)的讀取。如圖4所示，其基本的控制電路組成為：單光子雪崩二極管（spad）的陽極施加一個(gè)固定負(fù)電壓vap，此固定負(fù)電壓絕對(duì)值比二極管雪崩電壓稍低。spad的陰極與一個(gè)二選一的開關(guān)相連，二選一開關(guān)可對(duì)電源電壓vdd和一個(gè)電壓比較器輸入端進(jìn)行二選一的選擇，開關(guān)選擇通過外部時(shí)序進(jìn)行控制。電壓比較器的參考電壓vref可由實(shí)際需要設(shè)定為一固定數(shù)值，電壓比較器輸出端根據(jù)輸入端的電壓比較判定結(jié)果輸出信號(hào)。

本發(fā)明所述的應(yīng)用于單光子探測器的控制電路和陣列架構(gòu)，相對(duì)于已有的各種電路技術(shù)，主要的有益效果是：（1）電路結(jié)構(gòu)簡單，電路部分占用面積小，有利于提高整個(gè)探測器的占空比；（2）淬滅時(shí)間短，工作速度快，探測周期可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整；（3）便于探測器的大規(guī)模集成。

附圖說明

現(xiàn)將參照以下附圖具體詳細(xì)的說明本發(fā)明的主題，并清楚地理解本發(fā)明的有關(guān)電路結(jié)構(gòu)和工作模式以及其目的、特征和優(yōu)勢：

圖1是標(biāo)準(zhǔn)的單光子雪崩二極管（spad）的基本結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是傳統(tǒng)的被動(dòng)淬滅電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是傳統(tǒng)的主動(dòng)淬滅電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的應(yīng)用于單光子探測器的控制電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明的控制電路的工作過程示意圖；

圖6是本發(fā)明的應(yīng)用于單光子探測器的陣列架構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明陣列架構(gòu)的工作時(shí)序圖。

具體實(shí)施方式

在以下的詳細(xì)說明中，將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的工作原理和工作過程進(jìn)行全面的理解。理解如果將各個(gè)晶體管的類型對(duì)換（即n型晶體管替換為p型晶體管），而操作電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)南喾?，則其不超過本發(fā)明的核心內(nèi)涵。

圖4為本發(fā)明的應(yīng)用于單光子探測器的控制電路結(jié)構(gòu)圖，所述的控制電路具體構(gòu)成是：單光子雪崩二極管（spad）的陽極施加一個(gè)固定負(fù)電壓vap，此固定負(fù)電壓絕對(duì)值比二極管雪崩電壓稍低。spad的陰極與一個(gè)二選一的開關(guān)相連，二選一開關(guān)可對(duì)電源電壓vdd和一個(gè)電壓比較器輸入端進(jìn)行二選一的選擇，開關(guān)選擇通過外部時(shí)序進(jìn)行控制。電壓比較器的參考電壓vref可由實(shí)際需要設(shè)定為一固定數(shù)值，電壓比較器輸出端根據(jù)輸入端的電壓比較判定結(jié)果輸出信號(hào)。

所述的應(yīng)用于單光子探測器的控制電路的工作原理和工作過程如下：

電路開始工作時(shí)，spad的陽極施加一個(gè)負(fù)電壓vap，此電壓的絕對(duì)值稍低于二極管擊穿電壓。電壓比較器參考電壓vref設(shè)置為vdd/2。如圖5（a）所示，二選一開關(guān)選擇固定電源端vdd，電路對(duì)spad進(jìn)行充電，spad陰極電位上升至vdd，此時(shí)spad兩端電壓差為（vdd+vap），此電壓值高于二極管擊穿電壓，此時(shí)spad處于蓋革工作模式。此時(shí)斷開二選一開關(guān)，spad進(jìn)行光子探測。之后二選一開關(guān)接通電壓比較器輸入端，如圖5（b）所示。電壓比較器進(jìn)行如下判定：（1）如果有光子入射，spad發(fā)生雪崩效應(yīng)，spad通過雪崩電流進(jìn)行放電，陰極端電位下降。此時(shí)陰極端電位與電壓比較器參考電壓vref進(jìn)行比較，如果低于vref，則說明spad有放電過程，表示spad探測到一個(gè)光子信號(hào)，電壓比較器輸出一個(gè)脈沖電壓信號(hào)。（2）如果沒有光子入射，則spad陰極電位基本保持不變，此時(shí)陰極電位高于電壓比較器的參考電壓vref，電壓比較器不輸出信號(hào)。

通過以上過程，spad完成一個(gè)探測周期。此時(shí)二選一開關(guān)選擇固定電壓端，對(duì)spad進(jìn)行充電，從而進(jìn)入下一個(gè)探測周期。

整個(gè)探測過程中，二選一開關(guān)的選擇由外部時(shí)序控制，此時(shí)序可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定調(diào)制，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)spad探測周期的調(diào)制。

圖6所示為應(yīng)用本發(fā)明控制電路所設(shè)計(jì)的單光子探測器陣列架構(gòu)示意圖，其中二選一開關(guān)功能通過兩個(gè)mosfet（金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，即金氧半場效晶體管metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor）晶體管開關(guān)特性實(shí)現(xiàn)，其他方式實(shí)現(xiàn)二選一開關(guān)功能不超出本發(fā)明的保護(hù)范圍。陣列時(shí)序s1、s2如圖7所示。