ΣΠΑΔφωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας ενός φωτονίου
Όταν οι αισθητήρες φωτοανιχνευτών SPAD εισήχθησαν για πρώτη φορά, χρησιμοποιούνταν κυρίως σε σενάρια ανίχνευσης χαμηλού φωτισμού. Ωστόσο, με την εξέλιξη της απόδοσής τους και την ανάπτυξη των απαιτήσεων σκηνής,Φωτοανιχνευτής SPADΟι αισθητήρες εφαρμόζονται όλο και περισσότερο σε καταναλωτικά σενάρια, όπως ραντάρ αυτοκινήτων, ρομπότ και μη επανδρωμένα αεροσκάφη. Λόγω της υψηλής ευαισθησίας και των χαρακτηριστικών χαμηλού θορύβου, ο αισθητήρας φωτοανιχνευτή SPAD έχει γίνει η ιδανική επιλογή για την επίτευξη υψηλής ακρίβειας αντίληψης βάθους και απεικόνισης σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού.
Σε αντίθεση με τους παραδοσιακούς αισθητήρες εικόνας CMOS (CIS) που βασίζονται σε επαφές PN, η βασική δομή του φωτοανιχνευτή SPAD είναι μια δίοδος χιονοστιβάδας που λειτουργεί σε λειτουργία Geiger. Από την άποψη των φυσικών μηχανισμών, η πολυπλοκότητα του φωτοανιχνευτή SPAD είναι σημαντικά υψηλότερη από αυτή των συσκευών επαφής PN. Αυτό αντικατοπτρίζεται κυρίως στο γεγονός ότι υπό υψηλή αντίστροφη πόλωση, είναι πιο πιθανό να προκαλέσει προβλήματα όπως η έγχυση μη ισορροπημένων φορέων, τα θερμικά φαινόμενα ηλεκτρονίων και τα ρεύματα σήραγγας που υποβοηθούνται από καταστάσεις ελαττωμάτων. Αυτά τα χαρακτηριστικά τον καθιστούν αντιμετωπίζει σοβαρές προκλήσεις σε επίπεδο σχεδιασμού, διεργασίας και αρχιτεκτονικής κυκλώματος.
Κοινές παράμετροι απόδοσηςΦωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας SPADπεριλαμβάνουν το μέγεθος εικονοστοιχείου (Pixel Size), τον θόρυβο σκοτεινής μέτρησης (DCR), την πιθανότητα ανίχνευσης φωτός (PDE), τον νεκρό χρόνο (DeadTime) και τον χρόνο απόκρισης (Response Time). Αυτές οι παράμετροι επηρεάζουν άμεσα την απόδοση του φωτοανιχνευτή χιονοστιβάδας SPAD. Για παράδειγμα, ο ρυθμός σκοτεινής μέτρησης (DCR) είναι μια βασική παράμετρος για τον ορισμό του θορύβου του ανιχνευτή και το SPAD πρέπει να διατηρεί μια πόλωση υψηλότερη από την ανάλυση για να λειτουργήσει ως ανιχνευτής ενός φωτονίου. Η πιθανότητα ανίχνευσης φωτός (PDE) καθορίζει την ευαισθησία του SPAD.φωτοανιχνευτής χιονοστιβάδαςκαι επηρεάζεται από την ένταση και την κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου. Επιπλέον, ο DeadTime είναι ο χρόνος που απαιτείται για να επιστρέψει το SPAD στην αρχική του κατάσταση μετά την ενεργοποίησή του, γεγονός που επηρεάζει τον μέγιστο ρυθμό ανίχνευσης φωτονίων και το δυναμικό εύρος.
Στη βελτιστοποίηση της απόδοσης των συσκευών SPAD, η σχέση περιορισμού μεταξύ των βασικών παραμέτρων απόδοσης αποτελεί σημαντική πρόκληση: για παράδειγμα, η σμίκρυνση των pixel οδηγεί άμεσα σε εξασθένηση της PDE, και η συγκέντρωση των ηλεκτρικών πεδίων των άκρων που προκαλείται από τη σμίκρυνση του μεγέθους θα προκαλέσει επίσης απότομη αύξηση στο DCR. Η μείωση του νεκρού χρόνου θα προκαλέσει θόρυβο μετά την ώθηση και θα επιδεινώσει την ακρίβεια του χρονικού jitter. Τώρα, η λύση αιχμής έχει επιτύχει έναν ορισμένο βαθμό συνεργατικής βελτιστοποίησης μέσω μεθόδων όπως ο βρόχος προστασίας DTI/(καταστολή της αλληλοπαρεμβολής και μείωση του DCR), η οπτική βελτιστοποίηση των pixel, η εισαγωγή νέων υλικών (απόκριση υπέρυθρης ακτινοβολίας που ενισχύει το στρώμα χιονοστιβάδας SiGe) και τα τρισδιάστατα κυκλώματα ενεργής απόσβεσης σε στοίβα.
Ώρα δημοσίευσης: 23 Ιουλίου 2025