fotodetector de avalancha de un solo fotón SPAD

SPADfotodetector de avalancha de un solo fotón

Cuando se introdujeron por primera vez los sensores fotodetectores SPAD, se utilizaban principalmente en escenarios de detección con poca luz. Sin embargo, con la evolución de su rendimiento y el desarrollo de los requisitos de la escena,fotodetector SPADLos sensores se han utilizado cada vez más en aplicaciones de consumo, como radares para automóviles, robots y vehículos aéreos no tripulados. Gracias a su alta sensibilidad y bajo nivel de ruido, el sensor fotodetector SPAD se ha convertido en una opción ideal para lograr una percepción de profundidad de alta precisión e imágenes en condiciones de poca luz.

A diferencia de los sensores de imagen CMOS tradicionales (CIS) basados ​​en uniones PN, la estructura central del fotodetector SPAD es un diodo de avalancha que opera en modo Geiger. Desde la perspectiva de los mecanismos físicos, la complejidad del fotodetector SPAD es significativamente mayor que la de los dispositivos con uniones PN. Esto se refleja principalmente en el hecho de que, bajo una polarización inversa elevada, es más probable que se produzcan problemas como la inyección de portadores desequilibrados, efectos térmicos de electrones y corrientes de tunelización asistidas por estados de defecto. Estas características plantean serios desafíos a nivel de diseño, proceso y arquitectura de circuitos.

Parámetros de rendimiento comunes defotodetector de avalanchas SPADIncluyen el tamaño del píxel (Pixel Size), el ruido de conteo oscuro (DCR), la probabilidad de detección de luz (PDE), el tiempo muerto (DeadTime) y el tiempo de respuesta (Response Time). Estos parámetros afectan directamente el rendimiento del fotodetector de avalancha SPAD. Por ejemplo, la tasa de conteo oscuro (DCR) es un parámetro clave para definir el ruido del detector, y el SPAD necesita mantener una polarización superior a la de ruptura para funcionar como un detector de fotones individuales. La probabilidad de detección de luz (PDE) determina la sensibilidad del SPAD.fotodetector de avalanchasy se ve afectada por la intensidad y la distribución del campo eléctrico. Además, el tiempo muerto es el tiempo que tarda el SPAD en volver a su estado inicial tras ser activado, lo que afecta a la tasa máxima de detección de fotones y al rango dinámico.

En la optimización del rendimiento de los dispositivos SPAD, la relación de restricción entre los parámetros de rendimiento principales representa un desafío importante: por ejemplo, la miniaturización de píxeles conduce directamente a la atenuación de la PDE, y la concentración de campos eléctricos en los bordes causada por la miniaturización del tamaño también provocará un fuerte aumento de la DCR. La reducción del tiempo muerto induce ruido posterior al impulso y deteriora la precisión de la fluctuación temporal. Actualmente, la solución de vanguardia ha logrado cierto grado de optimización colaborativa mediante métodos como el bucle de protección DTI (que suprime la diafonía y reduce la DCR), la optimización óptica de píxeles, la introducción de nuevos materiales (capa de avalancha de SiGe que mejora la respuesta infrarroja) y circuitos de extinción activa apilados tridimensionales.