SPADfotodetektor lawinowy pojedynczego fotonu
Kiedy po raz pierwszy wprowadzono fotodetektory SPAD, były one wykorzystywane głównie w scenariuszach detekcji przy słabym oświetleniu. Jednak wraz z rozwojem ich wydajności i rozwojem wymagań dotyczących sceny,Fotodetektor SPADCzujniki są coraz częściej stosowane w zastosowaniach konsumenckich, takich jak radary samochodowe, roboty i bezzałogowe statki powietrzne. Dzięki wysokiej czułości i niskiemu poziomowi szumów, czujnik fotodetektora SPAD stał się idealnym wyborem do precyzyjnego obrazowania głębi i obrazowania przy słabym oświetleniu.
W przeciwieństwie do tradycyjnych czujników obrazu CMOS (CIS) opartych na złączach PN, rdzeniem fotodetektora SPAD jest dioda lawinowa pracująca w trybie Geigera. Z punktu widzenia mechanizmów fizycznych, złożoność fotodetektora SPAD jest znacznie wyższa niż w przypadku urządzeń ze złączem PN. Wynika to głównie z faktu, że przy wysokim napięciu polaryzacji zaporowej istnieje większe prawdopodobieństwo wystąpienia problemów, takich jak wstrzykiwanie niezrównoważonych nośników, efekty termiczne elektronów oraz prądy tunelowe wspomagane przez stany defektowe. Te cechy stawiają go przed poważnymi wyzwaniami na poziomie projektowania, procesu i architektury obwodów.
Typowe parametry wydajnościFotodetektor lawinowy SPADNależą do nich rozmiar piksela (Pixel Size), szum zliczania ciemnych zliczeń (DCR), prawdopodobieństwo wykrycia światła (PDE), czas martwy (DeadTime) i czas reakcji (Response Time). Parametry te bezpośrednio wpływają na wydajność fotodetektora lawinowego SPAD. Na przykład, częstość zliczania ciemnych zliczeń (DCR) jest kluczowym parametrem definiującym szum detektora, a SPAD musi utrzymywać obciążenie wyższe niż przebicie, aby działać jako detektor pojedynczych fotonów. Prawdopodobieństwo wykrycia światła (PDE) określa czułość fotodetektora SPAD.fotodetektor lawinowyi zależy od natężenia i rozkładu pola elektrycznego. Dodatkowo, DeadTime to czas potrzebny na powrót SPAD do stanu początkowego po wyzwoleniu, co wpływa na maksymalną częstotliwość detekcji fotonów i zakres dynamiki.
W optymalizacji wydajności urządzeń SPAD, istotnym wyzwaniem jest związek ograniczeń między podstawowymi parametrami wydajności: na przykład miniaturyzacja pikseli prowadzi bezpośrednio do tłumienia PDE, a koncentracja pól elektrycznych krawędzi spowodowana miniaturyzacją rozmiaru spowoduje również gwałtowny wzrost DCR. Skrócenie czasu martwego będzie indukować szum poimpulsowy i pogorszy dokładność pomiaru jittera czasowego. Obecnie, najnowocześniejsze rozwiązanie osiągnęło pewien stopień optymalizacji poprzez współpracę metod takich jak DTI/pętla ochronna (tłumienie przesłuchów i redukcja DCR), optymalizacja optyczna pikseli, wprowadzenie nowych materiałów (warstwa lawinowa SiGe poprawiająca odpowiedź w podczerwieni) oraz trójwymiarowe, warstwowe układy aktywnego wygaszania.
Czas publikacji: 23 lipca 2025 r.