SPADyhden fotonin lumivyöryvalodetektori
Kun SPAD-fotodetektorit esiteltiin ensimmäisen kerran, niitä käytettiin pääasiassa hämärässä. Niiden suorituskyvyn kehittyessä ja kohtausvaatimusten kehittyessä...SPAD-valodetektoriAntureita on käytetty yhä enemmän kuluttajatilanteissa, kuten autojen tutkajärjestelmissä, roboteissa ja miehittämättömissä ilma-aluksissa. Korkean herkkyyden ja alhaisen kohinan ominaisuuksiensa ansiosta SPAD-fotodetektorianturista on tullut ihanteellinen valinta tarkan syvyyshavainnoinnin ja hämäräkuvauksen saavuttamiseksi.
Toisin kuin perinteiset PN-liitoksiin perustuvat CMOS-kuvasensorit (CIS), SPAD-fotodetektorin ydinrakenne on Geiger-moodissa toimiva lumivyörydiodi. Fyysisten mekanismien näkökulmasta SPAD-fotodetektorin monimutkaisuus on huomattavasti suurempi kuin PN-liitoksiin perustuvien laitteiden. Tämä näkyy pääasiassa siinä, että suuren vastajännitteen alaisena se aiheuttaa todennäköisemmin ongelmia, kuten epätasapainoisten varauksenkuljettajien injektiota, lämpöelektronivaikutuksia ja vikatilojen avustamia tunnelointivirtoja. Nämä ominaisuudet asettavat sille vakavia haasteita suunnittelun, prosessin ja piiriarkkitehtuurin tasolla.
Yhteiset suorituskykyparametritSPAD-lumivyöryvaloilmaisinMukana ovat pikselikoko (Pixel Size), tummalaskentakohina (DCR), valon havaitsemistodennäköisyys (PDE), kuollut aika (DeadTime) ja vasteaika (Response Time). Nämä parametrit vaikuttavat suoraan SPAD-lumivyöryvalodetektorin suorituskykyyn. Esimerkiksi tummalaskentataajuus (DCR) on keskeinen parametri ilmaisimen kohinan määrittämisessä, ja SPADin on ylläpidettävä läpilyöntiä korkeampi esijännitys toimiakseen yksittäisfotoni-ilmaisimena. Valon havaitsemistodennäköisyys (PDE) määrittää SPADin herkkyyden.lumivyöryvaloilmaisinja siihen vaikuttavat sähkökentän voimakkuus ja jakauma. Lisäksi viiveaika (DeadTime) on aika, joka SPAD:in palaamiseen alkuperäiseen tilaansa laukaisun jälkeen kuluu, mikä vaikuttaa fotonien havaitsemisen maksiminopeuteen ja dynaamiseen alueeseen.
SPAD-laitteiden suorituskyvyn optimoinnissa keskeisten suorituskykyparametrien välinen rajoitesuhde on merkittävä haaste: esimerkiksi pikselien pienentäminen johtaa suoraan osittaisdifferentiaaliyhtälön (PDE) vaimenemiseen, ja koon pienentämisestä johtuva reunojen sähkökenttien keskittyminen aiheuttaa myös DCR:n jyrkän kasvun. Viiveajan lyhentäminen aiheuttaa impulssin jälkeistä kohinaa ja heikentää aikajitterin tarkkuutta. Nyt tämä huippuratkaisu on saavuttanut tietynasteisen yhteistyöoptimoinnin menetelmillä, kuten DTI/suojaussilmukka (ylikuulumisen vaimentaminen ja DCR:n vähentäminen), pikselien optinen optimointi, uusien materiaalien käyttöönotto (SiGe-lumivyörykerros, joka parantaa infrapunavastetta) ja kolmiulotteiset pinotut aktiiviset sammutuspiirit.
Julkaisuaika: 23.7.2025