本發(fā)明是一種應(yīng)用于單光子探測(cè)器的淬滅和限流電路，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，并對(duì)雪崩電流進(jìn)行有效的限流，有效降低功耗。整體的淬滅和限流電路架構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)陣列。
背景技術(shù)：
單光子雪崩二極管（spad）自從被提出以來(lái)，就以其極快的響應(yīng)速度和極高的靈敏度等特性，成為弱光探測(cè)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(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。
此外，由于單光子雪崩二極管每次探測(cè)到一個(gè)光子信號(hào)是，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(cè)器的淬滅和限流電路，在實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器雪崩現(xiàn)象的快速淬滅的同時(shí)，有效的限制了雪崩電流的大小，極大的降低了電路的功耗。整體電路架構(gòu)簡(jiǎn)單，大幅度提高探測(cè)器占空比，易于探測(cè)器的大規(guī)模集成。本發(fā)明的電路有效解決了現(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)明提出的一種應(yīng)用于單光子探測(cè)器的淬滅和限流電路，用于單光子雪崩二極管雪崩現(xiàn)象的抑制和對(duì)雪崩電流的限流。如圖4所示，其基本電路結(jié)構(gòu)構(gòu)成為：?jiǎn)喂庾友┍蓝O管（spad）的陽(yáng)極施加一個(gè)固定電壓vap，此固定電壓比二極管雪崩擊穿電壓稍低。spad的陰極與一個(gè)pmosfet管m2的源極相連。兩個(gè)pmosfet管m1和m2組合一個(gè)電流鏡，電阻rs用于對(duì)電流鏡進(jìn)行限流。m1和m2的漏極接電壓vdd。spad的陰極與一個(gè)反相器組連接，反相器組對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)制輸出，并作為整個(gè)電路的緩沖。
本發(fā)明所述的應(yīng)用于單光子探測(cè)器的淬滅和限流電路，相對(duì)于已有的各種電路技術(shù)，主要的有益效果是：（1）雪崩電流得到有效的限制，降低器件功耗；（2）電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路部分占用面積小，有利于提高整個(gè)探測(cè)器的占空比；（3）淬滅時(shí)間短，工作速度快；（4）便于探測(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(cè)器的淬滅和限流電路；
圖5時(shí)本發(fā)明電路構(gòu)成的一個(gè)陣列示意圖。
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)南喾矗瑒t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)器的淬滅和限流電路的電路結(jié)構(gòu)圖，所述的淬滅和限流電路的具體構(gòu)成是：?jiǎn)喂庾友┍蓝O管（spad）的陽(yáng)極施加一個(gè)固定電壓vap，此固定電壓比二極管雪崩擊穿電壓稍低。spad的陰極與一個(gè)pmosfet管m2的源極相連。兩個(gè)pmosfet管m1和m2組合一個(gè)電流鏡，電阻rs用于對(duì)電流鏡進(jìn)行限流，確保整個(gè)電路的工作電流上限。m1和m2的漏極接電壓vdd。spad的陰極與一個(gè)反相器組連接，反相器組對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)制并輸出，并作為整個(gè)電路的緩沖。
所述的應(yīng)用于單光子探測(cè)器的淬滅和限流電路的工作原理和工作過(guò)程如下：
電路開(kāi)始工作時(shí)，spad的陽(yáng)極施加一個(gè)負(fù)電壓vap，此電壓比二極管擊穿電壓低，m1和m2的漏極連接一個(gè)正電壓源vdd。在沒(méi)有光子信號(hào)入射時(shí)，m2管上壓降為零，spad陰極電壓vx等于vdd，此時(shí)spad兩端電壓差為
vspad=vdd－vap(1)
此電壓比spad的雪崩擊穿電壓高，此時(shí)spad處于蓋革工作模式。當(dāng)有光子入射時(shí)，spad發(fā)生雪崩效應(yīng)，此時(shí)m2管上產(chǎn)生壓降，spad陰極電壓vx將小于vdd，從而spad兩端電壓差下降至擊穿電壓以下，雪崩現(xiàn)象得到抑制。電路電流減小為零，m2管壓降為零，spad陰極電壓vx恢復(fù)至vdd，整個(gè)電路復(fù)位至初始狀態(tài)，等待下一次探測(cè)。
整個(gè)過(guò)程中的電流限制在m1和m2組成的電流鏡電流之內(nèi)，電流鏡電流由電阻rs限制，通過(guò)設(shè)置rs阻值大小，可以有效控制整個(gè)電路的工作電流，從而達(dá)到最優(yōu)工作狀態(tài)，減小電路功耗。
如圖5所示，所述的淬滅和限流電路易于構(gòu)成大規(guī)模探測(cè)器陣列，類(lèi)似于成熟的cmosaps成像陣列架構(gòu)，采用共輸出線bl結(jié)構(gòu)，每行增加一個(gè)mosfet作為行選擇管，實(shí)現(xiàn)同行同步讀取。