SPAD单光子探测器SPICE电路模型的建立与仿真研究

　　雪崩光电二极管单光子探测器(Singlephoton avalanche diode,以下简称SPAD),是近几年一直在研究的一种先进的光探测器。因其具有单光子探测灵敏度、皮秒量级响应速度、增益系数高、对电离辐射和磁场不敏感、工作电压低、结构紧凑等优点而倍受关注[1-3]。高性能SPAD探测器阵列的研制以及在高能物理探测、医学成像、量子通信及其他弱光探测领域的应用都是当今研究的热点[3-5]。

　　所谓的SPAD是一种工作在盖革模式下的雪崩光电二管,其工作电压高于雪崩电压阈值,基于碰撞电离和雪崩倍增的物理机制而具有高达105-107的内部增益,需要通过外加淬灭电路来抑制热载流子或外部光子入射激发的雪崩[1]。在盖革模式下,SPAD的性能发挥在很大程度上受到器件电学寄生参数和应用电路的限制和影响。

　　对于SPAD器件性能参数的优化、后续信号读出电路以及前置放大电路系统的设计需要构建一个合适的电路模型作为电子学模拟和仿真的基础。关于APD的物理模型和电路模型已有报道,如Banoushi等人的SAGCM-APD模型[2],但这些模型的参数很多,是基于APD线性模式以及工作偏压基本不变情况下的近似,不适用于SPAD所应用的盖革模式。本文将在Cova为iAQC电路系统的设计而提出的SPAD等效电路模型[3]的基础上进行更细致的探讨,为器件及电路设计建立一个简单实用的SPICE电路模型并开展仿真研究,使我们对SPAD各寄生参数与性能的关系及四种基本的测试电路结构的特性有更直观的认识。

　　1　SPAD等效电路模型

　　SPAD器件的基本结构与工作偏压区间如图1所示。工作电压为反偏,在P-耗尽区由热激发产生的电子或是光子激发的电子将在电场作用下漂移到高掺杂的N+-P结所形成的高场区,由于高场区的碰撞电离效应激发更多的电子-空穴对从而产生一个较大的信号电流,使器件具有内部增益。雪崩倍增过程时间很短,一般为亚纳秒量级[1]。当偏压稍低于雪崩阈值时,电流增益有限,一般为几十到几百,即所谓线性模式的APD。当所加偏压高于雪崩电压阈值时,电子漂移到高场区将可能引发雪崩而产生很大的雪崩电流,电流增益很大(雪崩倍增因子理论上为无穷,但由于space-charge效应电流增益实际上有限)[1]。这时我们需要在雪崩电流增大到损坏器件之前及时地降低偏压和抑制雪崩,即需要外加淬灭电路使雪崩结束同时迅速恢复偏压,为下一个光子的探测做好准备,这种工作模式称为盖革模式。SPAD正是工作于盖革模式下,所采用的淬灭电路有四种基本电路结构———直接串联一个大电阻以抑制雪崩电流的被动淬灭模式,采用反馈电路调节偏压的主动淬灭模式,外加门控信号控制SPAD工作偏压的门控模式,以及限制雪崩电流总量的电容淬灭模式。