SPAD的EDA模型与高效率淬灭复位电路设计
发布时间：2021-05-20 06:48
单光子雪崩二极管组成的单光子探测器能够以亚纳秒的时序分辨率捕获单个光子的微弱光信号。单光子探测器包括单光子雪崩二极管及外围电路,然而在设计外围电路的过程中,需为单光雪崩二极管建立精确的EDA（Electronic Design Automation）模型。本文以单光子雪崩二极管及外围电路为研究对象,分别进行了单光子雪崩二极管EDA模型精确建模与高效率淬灭复位电路设计。首先,从单光子探测器成像原理出发,在盖革模式下,基于单光子雪崩二极管的工作原理,分析了单光子雪崩二极管中关键性能参数及外围电路组成,为后续单光子雪崩二极管EDA模型及淬灭复位电路研究奠定了理论基础。然后,针对单光子雪崩二极管的暗计数及后脉冲特性,设计了一种精确的单光子雪崩二级管EDA模型。暗计数建模中,基于现有模型对热激发、缺陷辅助遂穿、带-带遂穿的研究基础上,引入了中性区载流子扩散对暗计数的影响;后脉冲考虑了二级陷阱因素,研究了其对载流子捕获释放的过程。为保证模型所用参数更贴合实际器件,分析了相同反偏电压下,耗尽区内不同深度所对应参数取值不同的影响,运用Silvaco TCAD对雪崩触发几率及电场强度等关键参数进行提取。...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
1.1.2 研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.2.3 研究现状分析
1.3 主要研究内容与贡献
1.4 论文章节安排
第2章 SPAD探测器工作原理及理论基础
2.1 SPAD探测器成像过程
2.2 盖革模式
2.3 SPAD工作原理
2.4 SPAD器件性能参数
2.4.1 光子探测效率
2.4.2 雪崩击穿电压
2.4.3 时间抖动
2.4.4 暗计数率
2.4.5 后脉冲
2.4.6 死时间
2.4.7 串扰率
2.4.8 雪崩倍增因子
2.5 淬灭恢复电路
2.5.1 被动式淬灭恢复电路
2.5.2 主动式淬灭恢复电路
2.5.3 门控式淬灭恢复电路
2.6 计数电路
2.7 本章小结
第3章 SPAD EDA模型及仿真验证
3.1 SPAD器件结构
3.2 SPAD器件理论模型
3.2.1 SPAD电流-电压特性理论模型
3.2.2 SPAD暗计数理论模型
3.2.3 SPAD后脉冲理论模型
3.3 SPAD器件参数提取
3.4 Verilog-A建模实现过程
3.5 SPAD EDA模型仿真验证与分析
3.5.1 暗计数模型仿真验证与分析
3.5.2 后脉冲模型仿真验证与分析
3.6 本章小结
第4章 SPAD高效率淬灭恢复电路的设计与仿真
4.1 SPAD淬灭复位电路常用结构
4.1.1 电流镜式淬灭复位电路
4.1.2 负载可变淬灭复位电路
4.1.3 电容式淬灭复位电路
4.2 高效率淬灭恢复电路的设计和仿真
4.2.1 高效率主动式淬灭复位电路设计
4.2.2 延时电路设计
4.2.3 高效率淬灭复位电路整体设计与仿真
4.2.4 高效率淬灭复位电路与SPAD EDA模型整体仿真验证
4.2.5 版图设计与后仿真验证
4.3 本章小结
第5章 总结与展望
5.1 总结
5.2 展望
致谢
参考文献
附录
【参考文献】：
期刊论文
[1]SPAD单光子探测器的SPICE模型及其CQC淬火电路研究[J]. 于跃,刘雪莲,单泽彪,王春阳,杨波. 红外技术. 2019(08)
[2]一个高速、低DCR SPAD设计与仿真[J]. 任科,田颖. 微型机与应用. 2016(22)
[3]单光子雪崩二极管行为性仿真建模[J]. 徐跃,谢小朋,岳恒. 系统仿真学报. 2015(06)
[4]光子脉冲外差探测系统的测距精度[J]. 罗韩君,元秀华. 中国激光. 2013(12)
[5]单光子雪崩二极管的死时间效应分析[J]. 司马博羽,陈钱,何伟基. 光学技术. 2012(05)
[6]光子计数模式下的目标探测与成像[J]. 尹丽菊,陈钱,顾国华,周蓓蓓. 强激光与粒子束. 2011(03)
[7]SPAD的EDA模型及其在集成淬火电路设计中的应用[J]. 周扬,陈永平. 半导体光电. 2010(05)
博士论文
[1]高性能半导体单光子探测器研究[D]. 蒋文浩.中国科学技术大学 2018
[2]基于InGaAs/InP单光子雪崩二极管的红外单光子探测研究[D]. 周鹏.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]一种高密度单光子雪崩二极管探测器像素单元的研究与设计[D]. 李斌.南京邮电大学 2018
[2]基于雪崩光电二极管的低时间抖动单光子探测器设计[D]. 姜倩文.华中师范大学 2018
[3]基于CMOS工艺的垂直双结单光子成像单元设计[D]. 卫振奇.杭州电子科技大学 2018
[4]高探测效率单光子雪崩二极管探测器的像素单元设计与暗计数机理研究[D]. 向平.南京邮电大学 2017
[5]基于CMOS工艺的单光子雪崩二极管研究[D]. 吴佳骏.天津大学 2017
[6]基于CMOS工艺的单光子传感器像素单元设计[D]. 王伟.杭州电子科技大学 2017
[7]单光子雪崩二极管建模及基于荧光寿命成像的像素单元设计[D]. 谢小朋.南京邮电大学 2016
[8]基于InGaAs/InP APD单光子探测器的研究[D]. 解超.华中科技大学 2016
[9]基于CMOS工艺SPAD的单光子探测技术研究[D]. 闫旭亮.重庆大学 2015
[10]强激光场中原子电离过程光子动量分配研究[D]. 陶建飞.中国工程物理研究院 2014
本文编号：3197298
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
1.1.2 研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.2.3 研究现状分析
1.3 主要研究内容与贡献
1.4 论文章节安排
第2章 SPAD探测器工作原理及理论基础
2.1 SPAD探测器成像过程
2.2 盖革模式
2.3 SPAD工作原理
2.4 SPAD器件性能参数
2.4.1 光子探测效率
2.4.2 雪崩击穿电压
2.4.3 时间抖动
2.4.4 暗计数率
2.4.5 后脉冲
2.4.6 死时间
2.4.7 串扰率
2.4.8 雪崩倍增因子
2.5 淬灭恢复电路
2.5.1 被动式淬灭恢复电路
2.5.2 主动式淬灭恢复电路
2.5.3 门控式淬灭恢复电路
2.6 计数电路
2.7 本章小结
第3章 SPAD EDA模型及仿真验证
3.1 SPAD器件结构
3.2 SPAD器件理论模型
3.2.1 SPAD电流-电压特性理论模型
3.2.2 SPAD暗计数理论模型
3.2.3 SPAD后脉冲理论模型
3.3 SPAD器件参数提取
3.4 Verilog-A建模实现过程
3.5 SPAD EDA模型仿真验证与分析
3.5.1 暗计数模型仿真验证与分析
3.5.2 后脉冲模型仿真验证与分析
3.6 本章小结
第4章 SPAD高效率淬灭恢复电路的设计与仿真
4.1 SPAD淬灭复位电路常用结构
4.1.1 电流镜式淬灭复位电路
4.1.2 负载可变淬灭复位电路
4.1.3 电容式淬灭复位电路
4.2 高效率淬灭恢复电路的设计和仿真
4.2.1 高效率主动式淬灭复位电路设计
4.2.2 延时电路设计
4.2.3 高效率淬灭复位电路整体设计与仿真
4.2.4 高效率淬灭复位电路与SPAD EDA模型整体仿真验证
4.2.5 版图设计与后仿真验证
4.3 本章小结
第5章 总结与展望
5.1 总结
5.2 展望
致谢
参考文献
附录
【参考文献】：
期刊论文
[1]SPAD单光子探测器的SPICE模型及其CQC淬火电路研究[J]. 于跃,刘雪莲,单泽彪,王春阳,杨波. 红外技术. 2019(08)
[2]一个高速、低DCR SPAD设计与仿真[J]. 任科,田颖. 微型机与应用. 2016(22)
[3]单光子雪崩二极管行为性仿真建模[J]. 徐跃,谢小朋,岳恒. 系统仿真学报. 2015(06)
[4]光子脉冲外差探测系统的测距精度[J]. 罗韩君,元秀华. 中国激光. 2013(12)
[5]单光子雪崩二极管的死时间效应分析[J]. 司马博羽,陈钱,何伟基. 光学技术. 2012(05)
[6]光子计数模式下的目标探测与成像[J]. 尹丽菊,陈钱,顾国华,周蓓蓓. 强激光与粒子束. 2011(03)
[7]SPAD的EDA模型及其在集成淬火电路设计中的应用[J]. 周扬,陈永平. 半导体光电. 2010(05)
博士论文
[1]高性能半导体单光子探测器研究[D]. 蒋文浩.中国科学技术大学 2018
[2]基于InGaAs/InP单光子雪崩二极管的红外单光子探测研究[D]. 周鹏.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]一种高密度单光子雪崩二极管探测器像素单元的研究与设计[D]. 李斌.南京邮电大学 2018
[2]基于雪崩光电二极管的低时间抖动单光子探测器设计[D]. 姜倩文.华中师范大学 2018
[3]基于CMOS工艺的垂直双结单光子成像单元设计[D]. 卫振奇.杭州电子科技大学 2018
[4]高探测效率单光子雪崩二极管探测器的像素单元设计与暗计数机理研究[D]. 向平.南京邮电大学 2017
[5]基于CMOS工艺的单光子雪崩二极管研究[D]. 吴佳骏.天津大学 2017
[6]基于CMOS工艺的单光子传感器像素单元设计[D]. 王伟.杭州电子科技大学 2017
[7]单光子雪崩二极管建模及基于荧光寿命成像的像素单元设计[D]. 谢小朋.南京邮电大学 2016
[8]基于InGaAs/InP APD单光子探测器的研究[D]. 解超.华中科技大学 2016
[9]基于CMOS工艺SPAD的单光子探测技术研究[D]. 闫旭亮.重庆大学 2015
[10]强激光场中原子电离过程光子动量分配研究[D]. 陶建飞.中国工程物理研究院 2014
本文编号：3197298
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