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苹果的DTOF中的SPAD原理和特性
  • 分类:测试技术
  • 原作者:Maver Jiang
  • 时间:2020-10-16
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DTOF是利用SPAD(单电子雪崩二极管)实现脉冲检测的.那么SPAD是什么?为什么SPAD能够帮助DTOF能够侦测更远的距离?本篇文章我们就简单看一下SPAD的一些基本知识。


SPAD的主要实现原理


CMOS sensor 中的主要感光器件光电二极管(PD)是反向偏置的p-n结。在实际使用中根据反向偏置电压的不同,光电二极管可以工作在三种不同的模式下,即线性模式、比例模式和Geiger模式。下图显示了在不同偏置电压条件下工作的二极管的特性。其中比例模式和Geiger模式合起来就是我们说的雪崩二极管.而Geiger状态就是单电子雪崩模式.而控制这些模式主要是偏置电压的大小。


SPADPN结工作在Geiger模式下,这种模式下p-n结反向偏置电压在击穿电压(Break Down)之上。当一个光子被半导体的耗尽区吸收时,它会产生一个电子-空穴对,这个电子-空穴对在电场的作用下分裂和加速。如果电子或空穴的能量足够高,撞击电离就会产生更多的电子-空穴对,引发自我维持的雪崩。当电场强度高于材料的临界场时,载流子的撞击电离就会发生这种雪崩现象。在硅中,临界场Ecr≈3×105v /cm。通常一旦雪崩开始一股毫安级的大电流就会流经设备,直到它被摧毁。如下图,因此一般会使用电阻RqSPAD串联防止烧毁的情况.这种电阻通常是千欧姆的量级.并行当V-A的阳极电压向过量偏置电压V-EB增加时,它通过将电流降低到小于100 μA 的方式来抑制(quenching )雪崩。抑制(quenching )完成后,开始充电过程,使像素回到空闲模式,进入下一个周期。


抑制和充电电路可以像上面说的只用电阻一样简单。然而,为了提高spad的性能,如死区时间,后脉冲和串扰,一般这部分的设计都是基于有源元件的抑制和充电电路。根据工作模式,猝灭和充电电路基本有四种组合,包括:

Passive quenching, passive recharge(PQPR)

Passive quenching, active recharge(PQAR)

Active quenching, passive recharge(AQPR)

Active quenching, active recharge(AQAR)

 

Geiger模式下,光电二极管的光学增益几乎是无限的,只有雪崩中载流子的数目才会增加。因此,一个振幅为几伏特或毫安的大信号可以在短时间内通过单光子探测产生。如果SPAD的输出连接到电压鉴别器,就能产生一个从逻辑‘0’‘1’的数字信号输出,表示单个光子的到达。通过将这个数字输出信号连接到时间-数字转换器(TDC),可以直接测量光子到达时间。

SPAD传感器的一个主要优点是CMOS兼容性,即SPAD和电路可以在同一晶片上实现。这使得SPAD传感器能够受益于CMOS技术的缩放,包括阵列大小、功耗、分辨率、低成本和大规模生产。

下图展示了在180 nm CMOS工艺中设计的SPAD示例,该示例已在Piccolo和Ocelot中实现。



虽然SPAD的主要特性有一些是和CMOS sensor类似但是还有些是不一样的特性.接下来主要描述了SPAD的主要特性,以帮助理解开发DTOF成像系统的问题和权衡。

 

1光子探测能力PDP(PHOTON DETECTION PROBABILITY AND FILL FACTOR)


在传统的CMOSCCD图像传感器中,检测器的光学灵敏度通常用量子效率(QE)来表示。这简单地表示了入射到产生电子-空穴对的探测器活跃区域的光子的平均百分比。由于光的穿透深度与波长有关.对于SPAD,引起雪崩的光子被视为有效事件。因此,启动概率由两个因素控制,1QE控制的三角函数载流子的可用性和2由电子-空穴对引发的自维持雪崩的概率,即击穿概率。在SPAD设备中,光子探测概率(PDP)通常用于指示触发雪崩事件的pho- tons的百分比超过在SPAD的多应用区域上照亮的光子数。在一个像素中,我们定义填充因子为检测的交流区域与像素的整体区域的比率。因此,一个术语,光子探测效率(PDE),通常被定义为触发雪崩事件的光子数比整个SPAD区域被照亮的光子数的百分比,在数学上计算为PDP和填充因子的乘积。


理论上,PDP可以定义为QE与雪崩发生概率的乘积。不同SPAD结构下的PDP随波长的变化如下图所示。

暗计数率(DARK COUNT RATE)


暗计数是指没有入射光子撞击spad时载波触发的雪崩事件。这些载流子的产生可以分为两个因素,包括由于温度的产生和隧道效应产生的。

DCR distribution over a 128 × 512 SPAD array, revealing an average of 1169 cps and a median of 302 cps

然而,由于高偏置电压的作用,这些暗电流可能在光信号回来之前引发雪崩,从而导致暗计数。此外,当系统被提供额外的能量时,如温度的影响,产生更多的暗电流,表明强烈的热关联性。其中一种特殊的热机制是陷阱辅助的载流子生成和复合,其中陷阱是由于晶体缺陷和杂质形成的。如上图所示,给出了用128×512 SPAD阵列测量的DCR分布。下图则是和DCR和温度之间的关系:

Dead time


如前文节所述,需要抑制雪崩事件以防止SPAD电流烧毁。抑制操作是通过电阻进行的。在抑制后,一个恢复阶段跟随放电阳极,这使SPAD回到原始的偏置条件下,可以进行下一个光子检测。由于抑制电阻通常为千欧姆,而在抑制节点上看到的电容是在几十飞秒的数量级,放电时间可以从几十纳秒到1歇。因此,在这段时间内,SPAD的光子探测能力大大降低,甚至失效,我们将这段时间定义为死时间。


定时抖动(TIMING JITTER)


SPADs的主要特性之一是有定时响应的抖动。SPAD输出的前缘表示光子到达的时间。对于给定的飞行时间,SPAD到达时间的静态波动被定义为定时抖动或定时分辨率,典型特征是底层高斯分布的半宽全宽(FWHM),如下图所示。由于雪崩倍增过程,SPAD会输出尖锐的信号,导致一个极小的时间内的抖动。


造成定时抖动的因素包括雪崩过程和定时pick-up 电路。定时抖动的下限由从耗尽区域的产生点开始到倍增区域的载波传输延迟不确定性给出。此外,电离系数与电子和空穴的差异以及雪崩积聚过程的涨落扩大了时序抖动。与PDP类似,定时抖动通常可以通过提高SPAD 偏置电压来改善。同时,定时pick-up 电路在抖动测量中起着重要的作用。


寄生脉冲(AFTERPULSING )


正如在DCR讨论的,陷阱,如在晶格和杂质中的缺陷,会产生不相关的噪声,以及以寄生脉冲形式存在的相关噪声。在SPAD中,当雪崩发生时,大量载流子将流经耗尽区域而其中一些可能被捕获中心捕获。这如果随后的释放发生在死时间之后,就会触发第二次雪崩,产生与前雪崩脉冲相关的寄生脉冲。


由于主脉冲和寄生脉冲之间的相关性,寄生脉冲概率(AP)可以通过测量相邻SPAD事件之间时间来表征。带有后脉冲的SPAD响应的例子如下图所示:



CROSSTALK


另一个相关的噪声源是由邻近SPADs触发的雪崩的CROSSTALKCROSSTALK的机理可以分为电学CROSSTALK和光学CROSSTALK,如下图所示:


电子CROSSTALK是由于载波交换。当载流子在深准中性区域产生时,例如基底,它们可能横向扩散并引发邻近SPAD的雪崩。由于光的穿透深度强烈地依赖于波长,在红光和近红外范围内预期会有较高的电子串扰。通过将SPAD与硅基衬底隔离,可以减少电子串扰。

另外上面一些属性会随着 pixel size和偏置电压的变化.如下面两张图.


--文章转载自微信公众号《大话成像》,知乎专栏《all in camera》原创文章


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Maver Jiang
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