论文总字数：42389字

摘 要

工作在盖革模式下的雪崩光电二极管(APD)也被称作单光子雪崩二极管(SPAD)，作为光子探测器件，不仅仅有能够探测单光子微弱信号的特性，更具有响应速度快，体积小，功耗轻等特点。然而随着APD器件阵列的规模不断扩大，由于会受到材料和工艺条件等各种因素的制约，导致阵列APD中出现击穿电压不均匀现象，因此需要调节每个像素的过驱动电压来保证阵列系统中探测器性能参数的均匀性。

本文研究了应用于单光子雪崩二极管的反向偏置电压调节电路以及将该调节电路应用到多像素阵列中。通过维持SPAD阴极电压，对于阳极电位进行调节从而达到器件过偏压均匀一致的效果。

在TSMC0.18μmCMOS工艺条件下，本文实现了对于SPAD偏压可调的淬灭电路的设计。通过对于单像素的仿真，得到复位调节的时间大约在15~20ns，对于SPAD阳极可调的范围是0.2~1.7V，步长为0.1V，仿真后得到的阳极电位误差≤2mV，基本可以实现偏压调节的功能。接着进行多像素的同时仿真，可实现对于16个像素同时异步仿真，并且阳极电位误差lt;3mV，淬灭时间和检测延迟都lt;20ns，复位至偏压所需时间lt;200ns，主要的设计指标均达到预计设计要求。

关键词： 单光子雪崩二极管，反向偏压调节，淬灭电路，多像素阵列

Abstract

The avalanche photodiode (APD) operating in the Geiger mode is also known as a single photon avalanche diode (SPAD). As a photon detector, SPAD not only has the ability to detect the weak signal of a single photon, but also has the characteristics of fast response, small size, and low power consumption and so on. However, with the expansion of the APD array, materials, process and other factors will lead to breakdown voltage non-uniformity in array. Therefore it is necessary to adjust the biasing voltage of each pixel to ensure the uniformity of performance parameters of the detectors.

In this thesis, the reverse bias voltage regulation circuit for single photon avalanche diode and the application of the control circuit to the multi pixel array are studied.

Under the condition of TSMC0.18μm CMOS process, the quench circuit which is capable of adjusting the biasing voltage of SPAD is realized. Through the simulation of a single pixel, the reset time is about 15~20ns, the adjustable range of the SPAD anode is 0.2~1.7V and the step size is 0.1V. Meanwhile, the anode voltage error is no more than 2mV. Therefore the function of bias adjustment can be basically achieved. Followed by multi pixel simulation simultaneously, with 16 pixels simulated asynchronously at the same time, the anode voltage error is no more than 3mV; the quenching time and the detection delay are less than 20ns; the time to adjust to bias is less than 200ns. Therefore, the main design indexes meet the expected design requirements.

KEY WORDS: single photon avalanche diode, reverse bias voltage adjustment, quenching circuit, multi pixel array

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状与发展 2

1.3研究内容与设计指标 4

1.3.1研究内容 4

1.3.2设计指标 4

1.4论文组织结构 5

第二章 APD反偏电压可调的电路原理 6

2.1反偏电压调节原理 6

2.2 单像素反向偏置电压可调淬灭电路架构 6

2.3多像素反偏电压调节的整体框架结构 8

2.4本章小结 9

第三章 电路结构和参数设计 10

3.1淬灭电路设计 10

3.1.1 SPAD淬灭原理 10

3.1.2 SPAD仿真模型设计 10

3.1.3 淬灭电路结构 11

3.1.4检测比较器设计 11

3.1.5电平转换模块设计 15

3.2反偏电压调节电路设计 17

3.2.1反偏电压调节原理 17

3.2.2电压调节器设计 17

3.2.3数据选择器设计 18

3.2.4电压跟随器buffer的设计 19

3.3本章小结 23

第四章 电路仿真 25

4.1单像素应用仿真 25

4.2多像素应用仿真 29

4.2.1多像素同步仿真 29

4.2.2多像素异步仿真 33

4.3本章小结 37

第五章 总结与展望 38

5.1论文总结 38

5.2研究展望 39

参考文献 40

致 谢 42

第一章 绪论

工作在盖革模式下的雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode，APD)也被称作单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Photo Diode，SPAD)，作为光子探测器件，不仅仅有能够探测单光子微弱信号的特性，更具有响应速度快，体积小，功耗轻等特点。随着现代半导体工艺的发展，基于雪崩二极管的探测器被越来越广泛的应用到医学，通信等等领域。本章将介绍雪崩光电二极管的工作模式以及其研究现状和发展趋势，并根据需求指出应用于雪崩光电二极管的反向偏置电压调节电路的研究内容与设计指标。

1.1研究背景与意义

随着科技的发展，当今社会是一个信息获取、传输、处理极为重要的信息社会。由于人类对于图像的获取更加直观，内容更丰富，也便于处理，因此随着历史长河的流淌，人类发明了各种各样的光学探测器件来帮助人类更好的获取图像信息，例如凹凸透镜，放大镜，显微镜等等。随着半导体加工水平的提升以及集成电路设计水平的增长，当今的光学成像技术已比较成熟，而对于极其微弱的光子的检测技术还在发展中，单光子作为最微弱的光源，被认为是光电探测技术的极限。

在过去的几年中，量子信息技术得到了迅速的发展，而这其中单光子检测技术是关键的技术。单光子检测技术在量子通信、高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、大气测污、远程激光测距、水下目标探测、国土安全等等领域都有着极为广泛的应用。

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