SPADеднофотонен лавинов фотодетектор
Когато фотодетекторните сензори SPAD бяха въведени за първи път, те се използваха главно в сценарии за откриване на слаба светлина. С развитието на тяхната производителност и развитието на изискванията към сцената обаче,SPAD фотодетекторСензорите намират все по-голямо приложение в потребителски сценарии, като например автомобилни радари, роботи и безпилотни летателни апарати. Благодарение на високата си чувствителност и ниските си шумови характеристики, фотодетекторният сензор SPAD се е превърнал в идеален избор за постигане на високопрецизно възприемане на дълбочината и изображения при слаба светлина.
За разлика от традиционните CMOS сензори за изображения (CIS), базирани на PN преходи, основната структура на SPAD фотодетектора е лавинен диод, работещ в режим на Geiger. От гледна точка на физическите механизми, сложността на SPAD фотодетектора е значително по-висока от тази на устройствата с PN преход. Това се отразява главно във факта, че при високо обратно отклонение е по-вероятно да се причинят проблеми като инжектиране на небалансирани носители, термични електронни ефекти и тунелни токове, подпомогнати от дефектни състояния. Тези характеристики го изправят пред сериозни предизвикателства на ниво проектиране, процес и архитектура на схемата.
Общи параметри на производителносттаЛавинен фотодетектор SPADвключват размер на пиксела (Pixel Size), шум от броене на тъмнина (DCR), вероятност за откриване на светлина (PDE), мъртво време (DeadTime) и време за реакция (Response Time). Тези параметри влияят пряко върху производителността на лавинния фотодетектор SPAD. Например, скоростта на броене на тъмнина (DCR) е ключов параметър за определяне на шума на детектора и SPAD трябва да поддържа отклонение, по-високо от пробойното, за да функционира като еднофотонен детектор. Вероятността за откриване на светлина (PDE) определя чувствителността на SPAD.лавинов фотодетектори се влияе от интензитета и разпределението на електрическото поле. Освен това, DeadTime е времето, необходимо на SPAD да се върне в първоначалното си състояние след задействане, което влияе върху максималната скорост на откриване на фотони и динамичния диапазон.
При оптимизацията на производителността на SPAD устройствата, връзката на ограниченията между основните параметри на производителността е основно предизвикателство: например, миниатюризацията на пикселите води директно до затихване в PDE, а концентрацията на електрически полета на ръба, причинена от миниатюризацията на размера, също ще доведе до рязко увеличение на DCR. Намаляването на мъртвото време ще предизвика шум след импулса и ще влоши точността на времевото трептене. Сега, авангардното решение е постигнало известна степен на съвместна оптимизация чрез методи като DTI/защитна верига (потискане на кръстосаните смущения и намаляване на DCR), оптична оптимизация на пикселите, въвеждане на нови материали (SiGe лавинов слой, подобряващ инфрачервения отговор) и триизмерни подредени активни схеми за гасене.
Време на публикуване: 23 юли 2025 г.