本發(fā)明是一種應(yīng)用于單光子探測(cè)器的門(mén)控電路，該電路能夠快速實(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)的讀取，并且可實(shí)現(xiàn)單個(gè)探測(cè)周期的自由調(diào)整。整體的門(mén)控電路簡(jiǎn)單，集成度高，可直接應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)的cmos工藝，實(shí)現(xiàn)探測(cè)系統(tǒng)的高度集成化和小型化，有效降低成本。

背景技術(shù)：

單光子雪崩二極管作為具有單光子靈敏度的光探測(cè)器件，自其被發(fā)明以來(lái)，迅速被應(yīng)用于各種領(lǐng)域。單光子雪崩二極管的兩大突出優(yōu)點(diǎn)，極快的響應(yīng)速度和極高的探測(cè)靈敏度，使其尤其適用于微弱光探測(cè)和高速成像領(lǐng)域。單光子雪崩二極管的簡(jiǎn)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(chǎng)很高，這個(gè)高電場(chǎng)足以使其中的載流子獲得足夠的能量，通過(guò)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(cè)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(chǎng)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(cè)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(zhǎng)時(shí)間處于大電流狀態(tài)，容易燒毀器件，并且無(wú)法進(jìn)行下一次探測(cè)。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(cè)光信號(hào)就會(huì)表現(xiàn)出一個(gè)個(gè)電流脈沖，在沒(méi)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(cè)，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所決定，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(guò)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(cè)。被動(dòng)模式淬滅電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是淬滅和恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，不利于高速探測(cè)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(cè)器的占空比難以提高，從而影響其探測(cè)效率及生產(chǎn)成本。

本發(fā)明提出的一種應(yīng)用于單光子雪崩探測(cè)器的門(mén)控電路，其雪崩淬滅和復(fù)位采用門(mén)控電路，通過(guò)門(mén)控信號(hào)控制淬滅與復(fù)位的信號(hào)周期，確保探測(cè)器的淬滅與復(fù)位周期可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)探測(cè)周期的可控。該門(mén)控電路極大的簡(jiǎn)化了電力路的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，使電路所占面積大幅度縮小，提高探測(cè)器占空比，有利于探測(cè)器的大規(guī)模集成，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題和難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于單光子雪崩探測(cè)器的門(mén)控電路，用于單光子雪崩二極管探測(cè)光子信息并進(jìn)行探測(cè)光子數(shù)計(jì)數(shù)，包含雪崩淬滅和復(fù)位門(mén)控電路，以及信號(hào)讀取門(mén)控電路。如圖4，其基本電路結(jié)構(gòu)構(gòu)成如下：?jiǎn)喂庾友┍蓝O管（spad）的陰極施加一個(gè)工作電壓vap，其大小為二極管的雪崩電壓值vbd加上一個(gè)額外的電壓vex，使得spad處于蓋格工作模式下。spad的陽(yáng)極與一個(gè)讀取電容cread和以及三個(gè)mos管m1、m2、m3的源極相連。讀取電容cread用于儲(chǔ)存電荷信號(hào)，m1管為淬滅管，其漏極連接電源信號(hào)vdd，柵極施加一個(gè)周期可控的門(mén)控信號(hào)電壓vq。m2管為復(fù)位管，其漏極接地，柵極施加一個(gè)周期可控的門(mén)控信號(hào)電壓vr。m3為讀取管，其漏極與一個(gè)計(jì)數(shù)器相連，作為計(jì)數(shù)器的輸入開(kāi)關(guān)。

本發(fā)明所述的應(yīng)用于單光子探測(cè)器的門(mén)控電路，相對(duì)于現(xiàn)有的各種電路技術(shù)，主要的有益效果是：（1）響應(yīng)速度快，探測(cè)周期可控；（2）電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用面積小，有利于提高整體探測(cè)器的占空比；（3）有利于探測(cè)器的大規(guī)模集成。

附圖說(shuō)明

現(xiàn)將參照以下附圖具體詳細(xì)的說(shuō)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(shì)：

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是被動(dòng)淬滅電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是主動(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(cè)器的門(mén)控電路示意圖；

圖5是本發(fā)明的電路工作電壓時(shí)序圖。

具體實(shí)施方式

在以下的詳細(xì)說(shuō)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(guò)程進(jìn)行全面的理解。如果將各個(gè)晶體管的類(lèi)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(guò)本發(fā)明的核心內(nèi)涵。

圖4是本發(fā)明的應(yīng)用于單光子探測(cè)器的門(mén)控電路的結(jié)構(gòu)示意圖，所述的門(mén)控電路的具體構(gòu)成是：?jiǎn)喂庾友┍蓝O管（spad）的陰極施加一個(gè)工作電壓vap，其大小為二極管的雪崩電壓值vbd加上一個(gè)額外的電壓vex，使得spad處于蓋格工作模式下。spad的陽(yáng)極與一個(gè)讀取電容cread和以及三個(gè)mos管m1、m2、m3的源極相連。讀取電容cread用于儲(chǔ)存電荷信號(hào)，m1管為淬滅管，其漏極連接電源信號(hào)vdd，柵極施加一個(gè)周期可控的門(mén)控信號(hào)電壓vq。m2管為復(fù)位管，其漏極接地，柵極施加一個(gè)周期可控的門(mén)控信號(hào)電壓vr。m3為讀取管，其漏極與一個(gè)計(jì)數(shù)器相連，作為計(jì)數(shù)器的輸入開(kāi)關(guān)。

所述的應(yīng)用于單光子探測(cè)器的門(mén)控電路的工作原理和工作過(guò)程如下：如圖5所示，雪崩二極管的陰極施加一個(gè)正電壓vap，此電壓比二極管pn結(jié)的擊穿電壓vbd高出vex，使spad工作在蓋革模式下。spad陽(yáng)極連接一個(gè)讀取電容，以及n型mos管m1、m2、m3的源極。mos管m1、m2、m3的柵極分別施加一個(gè)可調(diào)周期的門(mén)控信號(hào)電壓。

電路工作過(guò)程如下：光子信號(hào)探測(cè)與讀?。弘娐烽_(kāi)始工作時(shí)，m1和m2管柵極電壓vq、vr處于低電平狀態(tài)，m1和m2管關(guān)斷。m3管柵極電壓vg處于高電平狀態(tài)，m3管開(kāi)啟。當(dāng)spad探測(cè)到一個(gè)光子信號(hào)時(shí)，pn結(jié)在蓋革模式下發(fā)生雪崩，產(chǎn)生一個(gè)雪崩電流，對(duì)讀取電容cread進(jìn)行充電，cread電壓上升，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)電壓。脈沖信號(hào)電壓通過(guò)開(kāi)啟的讀取管m3傳至計(jì)數(shù)器中，計(jì)數(shù)器翻轉(zhuǎn)，數(shù)值加一，從而記錄此時(shí)有一個(gè)光子信號(hào)到達(dá)spad表面。

淬滅階段：計(jì)數(shù)器翻轉(zhuǎn)后，m3管柵極電壓變?yōu)榈碗娖剑琺3管關(guān)斷。m1管柵極電壓變?yōu)楦唠娖?，m1管開(kāi)啟，此時(shí)電壓信號(hào)vdd通過(guò)m1傳入到spad的陽(yáng)極，使陽(yáng)極電壓上升，進(jìn)而使spad兩段電壓差下降至pn結(jié)擊穿電壓以下，將雪崩現(xiàn)象淬滅，spad處于停止工作狀態(tài)。

復(fù)位階段：m1與m3管柵極電壓處于低電平，m1與m3管關(guān)斷。m2管柵極電壓處于高電平，m2管導(dǎo)通，此時(shí)讀取電容cread兩端接地，電容放電，使得spad陽(yáng)極電位恢復(fù)至0電位，spad兩端電壓差恢復(fù)至初始vbd＋vex，進(jìn)入蓋革工作模式，進(jìn)行下一個(gè)光子的探測(cè)。

所述的門(mén)控電路的工作周期可以通過(guò)改變m1、m2、m3管的柵極門(mén)控電壓信號(hào)的周期來(lái)調(diào)節(jié)，從而正確探測(cè)入射光子信號(hào)，并且有利于消除spad的后脈沖等負(fù)面效應(yīng)。