本發(fā)明，具體提供一種單光子雪崩光電二極管成像器件的淬滅電路，實現(xiàn)對單光子雪崩光電二極管的雪崩大電流的快速淬滅。

背景技術(shù)：

單光子探測技術(shù)是一種基于單光子的探測技術(shù)，與基于電荷耦合器件(chargecoupledevice)和cmos有源像元圖像傳感器(cmosactivepixelsensor)的傳統(tǒng)成像技術(shù)相比，具有探測靈敏度高、反應速度快、抗噪聲能力強且易于大規(guī)模陣列集成，單光子探測器目前廣泛應用于醫(yī)療診斷、天文觀測、國防軍事、光譜測量、量子電子學等領(lǐng)域。

基于半導體雪崩光電二極管(avalanchephotodiode)的單光子探測器是目前使用最多的單光子探測器件，雖然也存在其他類型的單光子探測技術(shù)，比如光電倍增管探測器，但其存在探測效率低、體積龐大等缺點，所以難以在實際應用中使用。相比較而言，基于雪崩光電二極管的單光子探測器具有量子效率高、功耗低、全固態(tài)、體積小、工作電壓低、對磁場不敏感等優(yōu)點。單光子雪崩光電二極管具有兩種工作狀態(tài)，一是線性模式，雪崩光電二極管工作在偏置電壓低于反向擊穿電壓下，限于暗(背景)噪聲等影響，這種工作狀態(tài)下的雪崩光電二極管僅具有較小的雪崩增益，雪崩電流較小，且探測效率低，不具有單光子探測能力。二是蓋革模式，雪崩光電二極管工作在偏置電壓高于反向擊穿電壓下，這種工作狀態(tài)下，過偏壓會在雪崩倍增區(qū)形成強電場，當單光子入射產(chǎn)生載流子進入雪崩倍增區(qū)時，會以一定概率觸發(fā)雪崩倍增效應，使單光子電流在皮秒量級時間內(nèi)急劇上升到毫安量級大電流，產(chǎn)生易于偵測的電流脈沖。在這種工作模式下的能實現(xiàn)的單光子偵測的雪崩光電二極管被稱為單光子雪崩光電二極管(singlephotoavalanchediode)。由于雪崩擊穿是一個自我維持過程，如果不采取抑制措施，雪崩過程將會持續(xù)到器件損壞，為了使器件可以處于正常狀態(tài)，必須有一種能良好控制單光子雪崩光電二極管spad偏置狀態(tài)的淬火恢復電路，在單光子雪崩光電二極管spad發(fā)生雪崩后可以迅速使雪崩電流淬滅，并把單光子雪崩光電二極管spad迅速恢復到截止以及可以重新偵測入射光子的狀態(tài)。因此，淬滅電路需要完成三個目標：能迅速偵測到雪崩電流的上升沿到達，并產(chǎn)生一個與雪崩信號同步的標準脈沖輸出；偵測到雪崩電流信號后，可以產(chǎn)生一個關(guān)斷信號，迅速降低單光子雪崩光電二極管spad兩端的電壓到雪崩電壓以下，實現(xiàn)雪崩電流的淬滅；雪崩電流完全淬滅后，產(chǎn)生一個復位信號，使單光子雪崩光電二極管spad兩端偏置電壓能自動恢復到高于雪崩電壓之上，可以偵測下一次光子到達。

一個高性能的單光子探測系統(tǒng)一般具有電路集成度高、時間分辨率高、陣列化程度高等優(yōu)點，單光子雪崩光電二極管spad器件陣列化的應用對后端淬滅電路也提出新的要求：集成、微型、簡單、功耗低、高速檢測。傳統(tǒng)的淬滅電路一般分為被動式和主動式兩種，被動式淬滅是在雪崩光電二極管的陽極串聯(lián)一個大電阻，這樣在雪崩情形下，雪崩電流將在大電阻兩端產(chǎn)生一個大壓降，從而達到關(guān)斷雪崩光電二極管、淬滅雪崩電流的目的，這種淬滅電路優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，增大電阻可以實現(xiàn)快速淬滅目的，但大電阻占用面積太大，且復位時間太長。而之后的淬滅電路的研究從早期的被動淬滅發(fā)展成主動淬滅，但是一部分設計電路過于復雜、面積過大很少應用到大規(guī)模陣列中，在單光子雪崩光電二極管spad探測陣列中，分辨率由像素間的間距決定，即單位面積的像素單元越多，分辨率越高，成像效果越清晰，所以要提高像素單元的填充效率，因此淬滅電路的像素單元面積受到嚴格的限制。另一方面大規(guī)模陣列應用中，像素電路的數(shù)量成倍增加，單個像素單元的功耗增加將會增加整個探測陣列靜態(tài)電流，大的靜態(tài)電流將在芯片內(nèi)部引起工作電壓的跌落，導致內(nèi)部工作電壓的不均勻跌落，過于復雜的電路結(jié)構(gòu)明顯不適合大規(guī)模陣列的集成。

綜上所訴，為了一個高性能的單光子雪崩光電二極管探測器設計一個響應速度快、結(jié)構(gòu)緊湊簡單、集成程度高的淬滅電路十分必要。對該電路的要求：高速的單光子探測要求淬滅在幾個納秒內(nèi)完成；另外大陣列應用的不均勻性、噪聲、光學串擾及后脈沖等影響與雪崩光電二極管產(chǎn)生的雪崩電荷數(shù)量相關(guān)，因此淬滅電路的負載電容應該盡可能小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有的淬滅電路存在的被動淬滅電路的大電阻占用大的版圖面積，恢復時間太長，并且所有像素的瞬態(tài)啟動會產(chǎn)生較大的靜態(tài)電流，而較大的靜態(tài)電流會在大負載電阻兩端產(chǎn)生很大的電壓降，增加瞬態(tài)功耗；主動淬滅電路結(jié)構(gòu)復雜、面積過大、節(jié)點寄生電容太大，不利于陣列集成等問題，結(jié)合主被動淬滅電路的優(yōu)點，改進兩種電路結(jié)構(gòu)存在的不足，提供了一種減小節(jié)點寄生電容、淬滅時間短的負載可變的淬滅電路。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

一種負載可變的單光子雪崩光電二極管淬滅電路，包括第一nmos管m1、第二nmos管m2、第三nmos管m3、第四nmos管m4、電阻r1、反相器inv1和保持電路；

第一nmos管m1的柵極接保持電路的輸出端，其漏極接第二nmos管m2和第三nmos管m3的漏極以及單光子雪崩光電二極管spad的陽極；

第四nmos管m4的柵極接第三nmos管m3的源極，其漏極通過電阻r1后連接電源電壓vdd，

第四nmos管m4的漏極輸出雪崩電流脈沖信號outb到反相器inv1的輸入端、保持電路的輸入端和第二nmos管m2的柵極，反相器inv1的輸出端為該負載可變的單光子雪崩光電二極管淬滅電路的輸出端輸出雪崩電流脈沖信號outb的數(shù)字信號；

第一nmos管m1、第二nmos管m2和第四nmos管m4的源極接地gnd，第三nmos管m3的柵極接電源電壓vdd；

所述保持電路用于產(chǎn)生延后于雪崩電流脈沖信號outb的復位信號rec。

具體的，所述的保持電路包括第五nmos管mn5、第六nmos管mn6、第七nmos管mn7、第一pmos管mp1、第二pmos管mp2和第三pmos管mp3，

第五nmos管mn5和第一pmos管mp1的柵極互連并作為所述保持電路的輸入端，其漏極互連并連接第六nmos管mn6和第二pmos管mp2的柵極；

第七nmos管mn7和第三pmos管mp3的柵極互連并連接第六nmos管mn6和第二pmos管mp2的漏極，其漏極互連作為保持電路的輸出端輸出復位信號rec；

第五nmos管mn5、第六nmos管mn6和第七nmos管mn7的源極接地gnd，第一pmos管mp1、第二pmos管mp2和第三pmos管mp3的源極接電源電壓vdd。

具體的，單光子雪崩光電二極管spad的陰極電壓為該單光子雪崩光電二極管spad的雪崩電壓vbreak加上額外的電壓ve，由于該單光子雪崩光電二極管spad探測時需要工作在蓋革模式，即工作在雪崩電壓vbreak以上。

本發(fā)明的有益效果：1、與傳統(tǒng)被動淬滅電路相比，應用負載可變的第二nmos管m2替代大電阻，節(jié)省了版圖面積、提高了像素單元的填充系數(shù)。首先，由于單光子雪崩光電二極管spad陽極點a點處于低電位，負載晶體管即第二nmos管m2工作在深線性狀態(tài)，起到大電阻作用，很小的電流就可以在產(chǎn)生一個較大的壓降；較大的壓降通過邏輯控制電路輸出低電平到第二nmos管m2柵極，第二nmos管m2截止，此時第二nmos管m2相當于一個阻值無窮大的電阻，完全淬滅雪崩電流，而普通電阻在淬滅后，由于單光子雪崩光電二極管spad陽極點a點處于高電位，依然存在電流，導致雪崩電流淬滅不完全。2、傳輸管第三nmos管m3的引入，減小了單光子雪崩光電二極管spad陽極點a點的負載電容，第三nmos管m3避免將后端控制電路的寄生電容引入節(jié)點a，而a節(jié)點負載電容的減小，一方面有利于減小淬滅時間，另一方面有利于減小噪聲、串擾等影響。3、該淬滅電路結(jié)構(gòu)簡單，有利于大規(guī)模陣列集成。

附圖說明

圖1為本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)原理圖；

圖2為本發(fā)明提供的一種負載可變的單光子雪崩光電二極管淬滅電路示意圖；

圖3為本發(fā)明電路中提供復位信號rec的保持電路示意圖；

圖4為本發(fā)明提供的一種負載可變的單光子雪崩光電二極管淬滅電路時序圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體圖示，對本發(fā)明的工作原理及工作過程進行進一步的詳細說明。

本發(fā)明提供了一種應用于單光子雪崩光電二極管的負載可變的緊湊型檢測淬滅電路，用于spad探測光子信息并進行統(tǒng)計，能夠減小寄生電容，且淬滅時間短。如圖1所示為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖，本發(fā)明包括均與單光子雪崩光電二極管(spad)陽極連接的邏輯控制電路、復位開關(guān)和可變負載，以及與邏輯控制輸出端連接的輸出模塊；保持電路的輸入端連接控制邏輯電路輸出端，保持電路的輸出端控制復位開關(guān)。所述邏輯控制電路用于檢測單光子雪崩光電二極管spad陽極點a點的電壓大小，當發(fā)生雪崩擊穿時，大的雪崩電流將會在可變負載晶體管兩端產(chǎn)生大壓降，當高于定值時，邏輯控制電路偵測到單光子雪崩光電二極管spad陽極點a點電壓，并通過邏輯控制可變負載晶體管關(guān)斷，給保持電路一個電流脈沖信號?？勺冐撦d晶體管用于當所述單光子雪崩光電二極管檢測到光子產(chǎn)生雪崩電流時，雪崩電流在可變負載晶體管上產(chǎn)生壓降，并將該電壓作為邏輯控制電路的輸入端電壓。輸出模塊用于檢測邏輯控制模塊輸出結(jié)果，并進行整形輸出。保持電路用于接收邏輯控制電路輸出結(jié)果，并產(chǎn)生一定延遲使得電流完全淬滅，防止過早的復位帶來的后脈沖效應，影響探測精度與效率，復位開關(guān)在接收到保持電路發(fā)送的復位信號后快速復位。

如圖2所示為本發(fā)明提供的負載可變的單光子雪崩光電二極管淬滅電路的具體電路圖，包括第一nmos管m1、第二nmos管m2、第三nmos管m3、第四nmos管m4、電阻r1、反相器inv1和保持電路，所述保持電路用于產(chǎn)生延后于雪崩電流脈沖的復位信號rec；第一nmos管m1的柵極接保持電路輸出的復位信號rec，其漏極接第二nmos管m2和第三nmos管m3的漏極以及單光子雪崩光電二極管spad的陽極；第四nmos管m4的柵極接第三nmos管m3的源極，其漏極通過電阻r1后連接電源電壓vdd，第四nmos管m4的漏極輸出雪崩電流脈沖信號outb到反相器inv1的輸入端、保持電路的輸入端和第二nmos管m2的柵極，反相器inv1的輸出端為該負載可變的單光子雪崩光電二極管淬滅電路的輸出端輸出雪崩電流脈沖信號outb的數(shù)字信號；第一nmos管m1、第二nmos管m2和第四nmos管m4的源極接地gnd，第三nmos管m3的柵極接電源電壓vdd。第一nmos管m1表示圖1中的復位開關(guān)，第二nmos管m2表示圖1中的可變負載晶體管，第三nmos管、第四nmos管m4和電阻r1構(gòu)成圖1中的邏輯控制模塊，反相器inv1表示圖1中的輸出模塊。

如圖3所示為保持電路的示意圖，包括第五nmos管mn5、第六nmos管mn6、第七nmos管mn7、第一pmos管mp1、第二pmos管mp2和第三pmos管mp3，第五nmos管mn5和第一pmos管mp1的柵極互連并連接雪崩電流脈沖信號outb，其漏極互連并連接第六nmos管mn6和第二pmos管mp2的柵極；第七nmos管mn7和第三pmos管mp3的柵極互連并連接第六nmos管mn6和第二pmos管mp2的漏極，其漏極互連作為保持電路的輸出端輸出復位信號rec；第五nmos管mn5、第六nmos管mn6和第七nmos管mn7的源極接地gnd，第一pmos管mp1、第二pmos管mp2和第三pmos管mp3的源極接電源電壓vdd。

本發(fā)明提供的負載可變的單光子雪崩光電二極管淬滅電路，通過在單光子雪崩光電二極管spad陽極點到比較器之間引入傳輸門，減小了加載在單光子雪崩光電二極管spad陽極點處的負載電容，單光子雪崩光電二極管spad的噪聲、串擾、后脈沖等影響都與單光子雪崩光電二極管spad的負載電容有關(guān)，所以減小單光子雪崩光電二極管spad的負載電容可以有效減小這些不利影響。另一方面單光子雪崩光電二極管spad的淬滅時間τ也與單光子雪崩光電二極管spad陽極負載電容有關(guān)，τ＝rspad·ctot，其中rspad是單光子雪崩光電二極管spad反向擊穿時的體電阻，ctot是單光子雪崩光電二極管spad陽極點處的負載電容，ctot主要有單光子雪崩光電二極管spad的結(jié)電容cd、單光子雪崩光電二極管spad陽極與漂移區(qū)以及襯底間的離散電容cp以及與陽極點連接的各個晶體管寄生電容cmos，傳輸門的引入可以有效減小與陽極點連接的各個晶體管寄生電容cmos的大小，進而減小單光子雪崩光電二極管spad陽極點a點處的負載電容ctot的大小。

一般的陣列式淬滅電路主要采取反相器對雪崩電流進行檢測，而在雪崩電流的檢測過程中只需要對單光子雪崩光電二極管spad陽極點a點的上升電壓進行檢測。本發(fā)明中用一個單管放大器(即第四nmos管m4和電阻r1)替代反相器做控制邏輯電路，理論上單個nmos管相比于普通反相器帶來的寄生電容更低，對雪崩電流的偵測更加迅速，可以進一步提高系統(tǒng)的檢測速度。另一方面，單個nmos管相比反相器具有更低的檢測閾值，十分有利于提高檢測精度。單個nmos管的翻轉(zhuǎn)閾值v′m等于nmos管的閾值電壓vtn，而反相器閾值vm則可以表示為：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管的寬長比，vtn和vtp分別為nmos管和pmos管的閾值電壓，vdd為電源電壓。而從上述公式可以明顯看出反相器的翻轉(zhuǎn)閾值大于單管放大器的翻轉(zhuǎn)閾值。

下面結(jié)合圖2和圖4說明本發(fā)明淬滅電路的工作過程：

1.在待測階段，單光子雪崩光電二極管spad工作在開路狀態(tài)，處于待測光子階段，而單光子雪崩光電二極管spad陽極點a點處電壓處于低電位，第四nmos管m4處于關(guān)斷狀態(tài)，所以輸出的雪崩電流脈沖信號outb處于高電位，高電位的outb信號打開第二nmos管m2，維持單光子雪崩光電二極管spad陽極點a的電位于地，此時第二nmos管m2工作在深線性區(qū)，起一個大電阻作用。

2.當一個光子入射激發(fā)單光子雪崩光電二極管spad發(fā)生雪崩倍增，雪崩電流流過工作在深線性區(qū)的負載管第二nmos管m2，迅速提高單光子雪崩光電二極管spad陽極點a點處的電位，通過傳輸管第三nmos管m3，該雪崩電流脈沖信號打開第四nmos管m4，迅速拉低輸出的雪崩電流脈沖信號outb到地，最終負載管第二nmos管m2關(guān)斷，因此主動淬滅了單光子雪崩光電二極管spad的雪崩電流。雪崩電流脈沖信號outb通過一個反相器inv1進行整形輸出，輸出一個標準數(shù)字信號out。

3.淬滅完成后，雪崩電流脈沖信號outb通過一個保持電路輸出一個復位信號rec打開復位管第一nmos管m1，將單光子雪崩光電二極管spad陽極點a處的電位迅速拉低到地，使雪崩電流脈沖信號spad再次復位到待測狀態(tài)，等待下次光子入射。為了防止淬滅不完全，復位過程中引入后脈沖現(xiàn)象，影響單光子雪崩光電二極管探測器的成像精度，復位信號rec因延遲于淬滅時間，等待完全淬滅后在進行復位。

在一個完整的工作周期內(nèi)，第二nmos管m2的導通電阻一直變化，所以可以看成一個大小可以變化的負載電阻。

以上所述為發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的使用并不局限于該實施方式，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。