Fotodetector de avalanche de fóton único SPAD

SPADfotodetector de avalanche de fóton único

Quando os sensores fotodetectores SPAD foram introduzidos, eram usados ​​principalmente em cenários de detecção com pouca luz. No entanto, com a evolução do seu desempenho e o desenvolvimento dos requisitos de cena,fotodetector SPADOs sensores têm sido cada vez mais aplicados em cenários de consumo, como radares automotivos, robôs e veículos aéreos não tripulados. Devido à sua alta sensibilidade e baixo ruído, o sensor fotodetector SPAD tornou-se uma escolha ideal para obter percepção de profundidade de alta precisão e imagens em condições de baixa luminosidade.

Ao contrário dos sensores de imagem CMOS tradicionais (CIS) baseados em junções PN, a estrutura central do fotodetector SPAD é um diodo de avalanche operando em modo Geiger. Do ponto de vista dos mecanismos físicos, a complexidade do fotodetector SPAD é significativamente maior do que a dos dispositivos de junção PN. Isso se reflete principalmente no fato de que, sob alta polarização reversa, é mais provável que ocorram problemas como a injeção desequilibrada de portadores, efeitos térmicos de elétrons e correntes de tunelamento auxiliadas por estados de defeito. Essas características impõem desafios significativos nos níveis de projeto, processo e arquitetura de circuito.

Parâmetros de desempenho comuns defotodetector de avalanche SPADIncluem o tamanho do pixel (Pixel Size), a taxa de contagem escura (DCR), a probabilidade de detecção de luz (PDE), o tempo morto (DeadTime) e o tempo de resposta (Response Time). Esses parâmetros afetam diretamente o desempenho do fotodetector de avalanche SPAD. Por exemplo, a taxa de contagem escura (DCR) é um parâmetro fundamental para definir o ruído do detector, e o SPAD precisa manter uma polarização superior à tensão de ruptura para funcionar como um detector de fóton único. A probabilidade de detecção de luz (PDE) determina a sensibilidade do SPAD.fotodetector de avalanchee é afetado pela intensidade e distribuição do campo elétrico. Além disso, o tempo morto (DeadTime) é o tempo necessário para o SPAD retornar ao seu estado inicial após ser acionado, o que afeta a taxa máxima de detecção de fótons e a faixa dinâmica.

Na otimização do desempenho de dispositivos SPAD, a relação de restrição entre os principais parâmetros de desempenho representa um grande desafio: por exemplo, a miniaturização de pixels leva diretamente à atenuação do efeito de deslocamento de fase (PDE), e a concentração de campos elétricos nas bordas, causada pela miniaturização, também provoca um aumento acentuado na taxa de contagem escura (DCR). A redução do tempo morto induz ruído pós-impulso e deteriora a precisão da variação temporal (jitter). Atualmente, as soluções de ponta alcançaram um certo grau de otimização colaborativa por meio de métodos como o circuito de proteção/interferência direta (DTI) (que suprime a diafonia e reduz a DCR), otimização óptica de pixels, introdução de novos materiais (camada de avalanche de SiGe que aprimora a resposta no infravermelho) e circuitos de extinção ativa tridimensionais empilhados.