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

发布时间：2017-09-23 16:15

  本文关键词：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

  更多相关文章： 光子探测效率 暗计数率 后脉冲几率 EDA仿真 荧光寿命 模拟计数

【摘要】：盖革模式下的单光子雪崩二极管SPAD(Single Photon Avalanche Diode)是一种能够探测极微弱光信号的探测器,在量子物理、生物医学、天文学等领域得到广泛应用。然而关于SPAD器件的理论研究,都是基于经验公式和半导体物理的理论公式推导而来,所有的理论结果都需要实验来验证,这加大了器件的研究成本。在仿真模型方面,目前CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺厂商并没有提供准确的可供电路仿真的SPAD EDA模型,给系统的仿真带来困难。在荧光寿命应用方面,目前比较成熟的技术是TCSPC(Time-Correlated Single Photon Counting),但其占用了较大版图面积,应用TCSPC浪费了电路性能。针对上述存在的一些问题,首先,本文深入研究了影响探测器探测效率、暗计数率、后脉冲几率的物理机制。对探测效率综合考虑上表面吸收、下表面吸收、耗尽层吸收三个物理机制,结合Silvaco仿真工具提取器件的电场分布和雪崩触发几率分布,从而计算探测效率随过偏压、探测区面积、波长的变化关系,并与文献报道的实验结果进行比对,验证理论的正确性。同时深入探讨了影响暗计数率的三个物理机制—热产生、缺陷辅助遂穿、带带遂穿,分析在低场和强场下,分别是那种机制占主导作用,并文献报道的实验结果比对,分析误差原因。对后脉冲几率,假定了两个陷阱能级对后脉冲几率的影响,研究了陷阱电子和空穴从俘获到再次释放的过程,最终计算出后脉冲几率。其次,在上述理论模型的基础上,设计了一个行为性的单光子探测器EDA(Electronic Design Automation)仿真模型,该模型不仅可以模拟器件的电流电压特性,而且首次将上述的理论计算得到光子探测效率,暗计数率和后脉冲几率,转化为器件仿真时的噪声参数,使EDA模型的仿真结果更加符合实际器件的工作状态。该仿真模型应用硬件描述语言Verilog-A来实现,语言中包含一些随机分布函数,利用这些函数,可以很好地实现器件的行为性特性的仿真建模。最后,设计一个检测荧光寿命的像素单元电路,该电路应用时间门控探测方法,利用两个门控窗口,通过大量的累计实验,将两个门控窗口内到达的光子数统计出来,最终确定荧光的寿命。因为大部分荧光的寿命都在ns级,所以需要通过单稳态电路将光子脉冲压缩为300ps左右的精度。该电路与时间相关的单光子计数相比,不需要记录每个光子的到达时间,因而压缩单个像素单元的面积,使得大规模的阵列集成成为可能。同时该电路可以工作于两种状态下,门控模式用作荧光寿命的测量,连续模式则可以用作单光子的模拟计数。
【关键词】：光子探测效率 暗计数率 后脉冲几率 EDA仿真 荧光寿命 模拟计数
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN312.7
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 单光子探测器的研究背景和意义10
• 1.2 单光子探测器(SPAD)结构的演变10-14
• 1.2.1 衬底探测型器件11
• 1.2.2 表面探测型器件11-12
• 1.2.3 CMOS工艺下的表面探测型器件12-14
• 1.3 荧光寿命成像的应用14
• 1.4 国内外研究现状14-16
• 1.5 本文的主要研究内容及创新点16-18
• 第二章 单光子二极管的理论基础及荧光寿命探测方法18-27
• 2.1 SPAD器件工作原理18-19
• 2.2 SPAD器件的关键性能参数19-21
• 2.2.1 光子探测效率19
• 2.2.2 暗计数率19-20
• 2.2.3 后脉冲20
• 2.2.4 串扰率20-21
• 2.3 常用电路结构及荧光寿命探测方法21-25
• 2.3.1 被动淬灭电路21
• 2.3.2 主动淬灭复位电路21-22
• 2.3.3 阵列级电路结构22-23
• 2.3.4 门控探测方法23-24
• 2.3.5 时间相关单光子计数24-25
• 2.3.6 基于扫描相机的荧光寿命成像25
• 2.4 本章小结25-27
• 第三章 单光子二极管器件理论建模27-38
• 3.1 器件统计物理模型建立27-28
• 3.2 光子探测效率的建模28-29
• 3.3 暗计数率建模29-30
• 3.4 后脉冲几率建模30-31
• 3.5 Geiger mode TCAD仿真31-33
• 3.6 模型计算结果验证33-36
• 3.7 本章小结36-38
• 第四章 单光子二极管EDA仿真模型38-51
• 4.1 SPAD基本模型38-40
• 4.2 改进的SPAD Verilog-A仿真模型40-44
• 4.2.1 光子探测脉冲40-42
• 4.2.2 暗计数脉冲42-43
• 4.2.3 后脉冲43-44
• 4.3 Verilog-A模型实现过程44-45
• 4.4 模型仿真验证45-50
• 4.5 本章小结50-51
• 第五章 荧光成像像素单元电路及其版图研究51-60
• 5.1 像素级单元51-55
• 5.1.1 施密特触发电路52-53
• 5.1.2 门控电路53-55
• 5.2 像素级单元仿真分析55-58
• 5.3 像素级单元的版图设计58-59
• 5.4 本章小结59-60
• 第六章 总结与展望60-63
• 6.1 论文总结60-61
• 6.2 研究展望61-63
• 参考文献63-66
• 附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文66-67
• 附录2 攻读硕士学位期间申请的专利67-68
• 附录3 攻读硕士学位期间参加的科研项目68-69
• 致谢69

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