SPAD viena fotona lavīnas fotodetektors

SPADviena fotona lavīnas fotodetektors

Kad SPAD fotodetektoru sensori pirmo reizi tika ieviesti, tie galvenokārt tika izmantoti vāja apgaismojuma noteikšanas scenārijos. Tomēr, attīstoties to veiktspējai un ainas prasībām,SPAD fotodetektorsSensori arvien vairāk tiek izmantoti patērētāju situācijās, piemēram, automobiļu radaros, robotos un bezpilota lidaparātos. Pateicoties augstajai jutībai un zemajam trokšņa līmenim, SPAD fotodetektora sensors ir kļuvis par ideālu izvēli augstas precizitātes dziļuma uztveres un attēlveidošanas nodrošināšanai vājā apgaismojumā.

Atšķirībā no tradicionālajiem CMOS attēla sensoriem (CIS), kuru pamatā ir PN pārejas, SPAD fotodetektora pamatstruktūra ir Geigera režīmā darbojoša lavīnas diode. No fizisko mehānismu viedokļa SPAD fotodetektora sarežģītība ir ievērojami augstāka nekā PN pārejas ierīcēm. Tas galvenokārt atspoguļojas faktā, ka pie lielas reversās nobīdes tas, visticamāk, radīs tādas problēmas kā nelīdzsvarotu nesēju injicēšana, termiskie elektronu efekti un tunelēšanas strāvas, ko veicina defektu stāvokļi. Šīs īpašības rada nopietnus izaicinājumus projektēšanas, procesa un shēmas arhitektūras līmenī.

Kopīgie veiktspējas parametriSPAD lavīnu fotodetektorsietver pikseļa izmēru (Pixel Size), tumšās skaitīšanas troksni (DCR), gaismas noteikšanas varbūtību (PDE), mirušo laiku (DeadTime) un reakcijas laiku (Response Time). Šie parametri tieši ietekmē SPAD lavīnu fotodetektora veiktspēju. Piemēram, tumšās skaitīšanas ātrums (DCR) ir galvenais parametrs detektora trokšņa noteikšanai, un, lai SPAD darbotos kā viena fotona detektors, tam ir jāuztur nobīde, kas ir augstāka par sabrukumu. Gaismas noteikšanas varbūtība (PDE) nosaka SPAD jutību.lavīnu fotodetektorsun to ietekmē elektriskā lauka intensitāte un sadalījums. Turklāt mirušā laika periods ir laiks, kas nepieciešams, lai SPAD atgrieztos sākotnējā stāvoklī pēc iedarbināšanas, kas ietekmē maksimālo fotonu noteikšanas ātrumu un dinamisko diapazonu.

SPAD ierīču veiktspējas optimizācijā ierobežojumu attiecības starp galvenajiem veiktspējas parametriem ir galvenais izaicinājums: piemēram, pikseļu miniaturizācija tieši noved pie PDE vājināšanās, un izmēru miniaturizācijas izraisītā malu elektrisko lauku koncentrācija arī izraisīs strauju DCR pieaugumu. Dīkstāves laika samazināšana izraisīs pēcimpulsa troksni un pasliktinās laika svārstību precizitāti. Tagad šis progresīvais risinājums ir sasniedzis zināmu sadarbības optimizācijas pakāpi, izmantojot tādas metodes kā DTI/aizsardzības cilpa (šķērsrunas slāpēšana un DCR samazināšana), pikseļu optiskā optimizācija, jaunu materiālu ieviešana (SiGe lavīnas slānis, kas uzlabo infrasarkano staru reakciju) un trīsdimensiju sakrautas aktīvās dzēšanas shēmas.