SPADenkel-foton lawine fotodetector
Toen SPAD-fotodetectorsensoren voor het eerst werden geïntroduceerd, werden ze voornamelijk gebruikt in situaties met weinig licht. Echter, met de evolutie van hun prestaties en de ontwikkeling van de eisen die aan scènes worden gesteld,SPAD-fotodetectorSensoren worden steeds vaker toegepast in consumententoepassingen, zoals in autoradars, robots en onbemande luchtvaartuigen. Dankzij de hoge gevoeligheid en lage ruis is de SPAD-fotodetectorsensor een ideale keuze geworden voor zeer nauwkeurige diepteperceptie en beeldvorming bij weinig licht.
In tegenstelling tot traditionele CMOS-beeldsensoren (CIS) gebaseerd op PN-overgangen, is de kernstructuur van een SPAD-fotodetector een lawinediode die werkt in de Geiger-modus. Vanuit het perspectief van de fysieke mechanismen is de complexiteit van een SPAD-fotodetector aanzienlijk hoger dan die van apparaten met PN-overgangen. Dit komt vooral tot uiting in het feit dat bij een hoge omgekeerde voorspanning de kans groter is dat er problemen optreden zoals de injectie van ongebalanceerde ladingsdragers, thermische elektroneneffecten en tunnelstromen die worden veroorzaakt door defecttoestanden. Deze eigenschappen zorgen voor grote uitdagingen op het gebied van ontwerp, proces en circuitarchitectuur.
Algemene prestatieparameters vanSPAD lawinefotodetectorDe parameters omvatten pixelgrootte (Pixel Size), donkere telruis (DCR), lichtdetectiekans (PDE), dode tijd (DeadTime) en responstijd (Response Time). Deze parameters beïnvloeden direct de prestaties van de SPAD-lawinefotodetector. De donkere telsnelheid (DCR) is bijvoorbeeld een belangrijke parameter voor het bepalen van de detectorruis, en de SPAD moet een bias handhaven die hoger is dan de doorslagspanning om als een enkel-fotonendetector te functioneren. De lichtdetectiekans (PDE) bepaalt de gevoeligheid van de SPAD.lawinefotodetectoren wordt beïnvloed door de intensiteit en de verdeling van het elektrische veld. Daarnaast is de dode tijd de tijd die de SPAD nodig heeft om terug te keren naar zijn oorspronkelijke toestand nadat deze is geactiveerd, wat van invloed is op de maximale fotondetectiesnelheid en het dynamisch bereik.
Bij de prestatieoptimalisatie van SPAD-apparaten vormt de onderlinge samenhang tussen de belangrijkste prestatieparameters een grote uitdaging: zo leidt miniaturisatie van pixels direct tot een afname van de PDE (Pulse Depression Effect), en de concentratie van elektrische velden aan de randen als gevolg van de miniaturisatie veroorzaakt ook een sterke toename van de DCR (Down Time Ratio). Het verminderen van de dode tijd leidt tot post-impulsruis en een verslechtering van de nauwkeurigheid van de tijdsjitter. De huidige geavanceerde oplossingen hebben een zekere mate van gezamenlijke optimalisatie bereikt door middel van methoden zoals DTI/beschermingslussen (onderdrukking van overspraak en vermindering van de DCR), optische pixeloptimalisatie, de introductie van nieuwe materialen (SiGe-lawinelaag die de infraroodrespons verbetert) en driedimensionaal gestapelde actieve quenchcircuits.
Geplaatst op: 23 juli 2025