Fotodetector de avalancha de fotón único SPAD

SPADfotodetector de avalancha de fotón único

Cuando se introdujeron los fotodetectores SPAD, se utilizaban principalmente en situaciones de detección con poca luz. Sin embargo, con la evolución de su rendimiento y la evolución de los requisitos de la escena,Fotodetector SPADLos sensores se han aplicado cada vez más en entornos de consumo como radares de 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 la opción ideal para lograr una percepción de profundidad de alta precisión e imágenes con poca luz.

A diferencia de los sensores de imagen CMOS tradicionales (CIS) basados ​​en uniones PN, la estructura principal 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 de unión PN. Esto se refleja principalmente en que, con alta polarización inversa, es más probable que cause problemas como la inyección de portadores desequilibrados, efectos térmicos de electrones y corrientes de túnel impulsadas por estados defectuosos. Estas características lo enfrentan a importantes desafíos a nivel de diseño, proceso y arquitectura de circuitos.

Parámetros de rendimiento comunes deFotodetector de avalanchas SPADIncluyen el tamaño de píxel (Tamaño de píxel), el ruido de conteo oscuro (DCR), la probabilidad de detección de luz (PDE), el tiempo muerto (Tiempo muerto) y el tiempo de respuesta (Tiempo de respuesta). Estos parámetros afectan directamente el rendimiento del fotodetector de avalanchas SPAD. Por ejemplo, la tasa de conteo oscuro (DCR) es un parámetro clave para definir el ruido del detector, y el SPAD necesita mantener un sesgo superior a la ruptura para funcionar como un detector monofotónico. La probabilidad de detección de luz (PDE) determina la sensibilidad del SPAD.fotodetector de avalanchasy se ve afectado por la intensidad y distribución del campo eléctrico. Además, el tiempo muerto es el tiempo que tarda el SPAD en volver a su estado inicial tras la activación, lo que afecta la tasa máxima de detección de fotones y el rango dinámico.

En la optimización del rendimiento de los dispositivos SPAD, la relación de restricción entre los parámetros de rendimiento principales constituye un desafío importante: por ejemplo, la miniaturización de píxeles conduce directamente a la atenuación de PDE, y la concentración de campos eléctricos de borde causada por la miniaturización del tamaño también provocará un aumento drástico de la DCR. La reducción del tiempo muerto inducirá ruido postimpulso y deteriorará la precisión de la fluctuación temporal. Actualmente, la solución de vanguardia ha logrado cierto grado de optimización colaborativa mediante métodos como DTI/bucle de protección (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.