單光子雪崩二極管（Single-Photon Avalanche Diode,SPAD）是蓋革模式的雪崩光電二極管,是一種能夠探測極微弱光信號的探測器,具有單光子探測靈敏度、皮秒量級響應(yīng)速度、增益系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn),在光場探測、光子學(xué)、激光測距等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和關(guān)注�；贑MOS工藝的SPAD器件可以實(shí)現(xiàn)與讀出及信號處理電路單片集成,在許多單光子探測應(yīng)用中獲得了極大的興趣,特別是高性能SPAD陣列探測器在高能物理探測、醫(yī)學(xué)成像、量子通信等弱光探測領(lǐng)域。本文基于0.18-μm CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor,CIS）工藝,從器件的物理機(jī)制和理論出發(fā),研究了 SPAD的原理,建立了 SPAD的物理模型和電路模型,設(shè)計(jì)了具有探測效率高、工作速度快、噪聲小等特點(diǎn)的SPAD。具體開展了如下工作:（1）建立SPAD的數(shù)值模型。通過考慮光子在耗盡區(qū)和中性區(qū)中的吸收以及注入式和分布式載流子的雪崩擊穿概率,提出了 SPAD的單光子探測概率（Single Photon Detection Probability,SPDP）模型,并使用Matlab對模型進(jìn)行了仿真。該模型從理論上分析... 

【文章來源】：湘潭大學(xué)湖南省

【文章頁數(shù)】：108 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

圖２．１雪崩倍增效應(yīng)示意圖??

硅是間接帶隙半導(dǎo)體，當(dāng)光子能量等于禁帶寬度時(shí)產(chǎn)生本征吸收。：Ｔ＝３０〇Ｋ時(shí)，硅的禁??帶寬度為１．１２?ｅＶ，存在一個(gè)截止波長；ｌｃ＝１．２４／￡ｇ，約等于１．１?ｐｍ。也就是說硅的光譜吸收極??限是１．１?ｐｎｉ，只有波長小于該極限的光才能被硅吸收，其吸收系數(shù)與波長的關(guān)系如圖２．５所??７Ｊｓ?〇??１〇?Ｃ＊?Ｃ?Ｚ?Ｃ?Ｃ?Ｃ?Ｃ?ｌ?＊??｜：ｊ?＼?：??Ｉ?丨??＼?：??ｆｉｏ１?ｒ?＼?１??Ｓ?：?＼??＜?〇?■?Ｉ??１〇?丨?ｊ??１０］?Ｌ?ｃ?ｃ?ｃ?ｃ?ｃ?ｃ?Ｃ?：??０．２?０．４?０．６?０．８?１?１．２?１．４?１．６?１．８??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（［ｉｍ）??圖２．５硅材料中光吸收系數(shù)與波長的關(guān)系??根據(jù)己有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，紫外波長的光子吸收非常接近硅層表面，波長３５０ｎｍ以下的??光子在娃層１００?ｎｍ以內(nèi)被全部吸收；波長為４００?ｎｍ的光子在硅層１００?ｎｍ以內(nèi)被吸收百分之??七十；而在紅外線區(qū)域，波長為８００?ｎｍ的光子在ｌｐｍ范圍內(nèi)被吸收百分之十，波長為１０００??ｎｍ的光子在１０?ｐｍ范圍內(nèi)的吸收甚至低于百分之十［１６］。??２．４．２?ＰＮ?結(jié)??１）電場分布??ＰＮ結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖及能帶分布如圖２．６所示。由圖２．６可知，ＰＮ結(jié)的內(nèi)建電勢滿足??＾?＾ｂｉ?＝?－＾Ｆｎ?—?－＾＂Ｆｐ?（２．４）??其中，Ｆｂｉ表示ＰＮ結(jié)的內(nèi)建電勢，五Ｆｎ表示Ｎ型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級，￡Ｆｐ表示Ｐ型半導(dǎo)體的費(fèi)??米能級。ｎｎ〇、》Ｐｏ分別表示Ｎ區(qū)和Ｐ區(qū)的平衡電子濃度，于是有??（Ｋ?—Ｅ?＼??？？〇?＝（２－５）??Ｖ?

ｉ?＋?＋?＋?＋?＋?＋ｉ??ｊ?＋＋＋?＋＋＋丨??Ｉ?＋＋＋＋＋＋丨??Ｉ?＋＋＋?＋＋＋丨??ｐ＋?ｉ?＋＋＋?＋?＋?＋?ｉ?ｎ??－Ｘｖ?〇?ｘｎ??（ａ）??Ｅｃ???個(gè)－???，?＼?外???ｘＶ＿Ｌ??￡ｆ??￡ｃＰ????￡ｃｎ??，＇■?—??Ｅｒａ??Ｅｉ?ｑＶｂｉ??Ｅ＞??Ｅｆｐ???．．２?（＿??Ｅ＇．ｐ??－?Ｅｖｎ??（ｂ）??圖２．６?（ａ）ＰＮ結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖（ｂ）能帶分布??式（２．５）與式（２．６）相除并取對數(shù)得??心＝化＾?（２．７）??ｎｐ〇?ｋＴ??由于《？０＊乂，《ｐ０？〇Ａ，于是??。斗吟?（２，）??其中，乂表示Ｎ區(qū)施主濃度，仏表示Ｐ區(qū)受主濃度，與溫度有關(guān)，可以表示為??（?＼??ｎＸＴ）－ＡＴ＾＾?（２．９）??２—??Ｅ?（Ｔ）＝＼Ａ１?（２．１０）??ｇＷ?ｒ?＋?６３６??其中，乂＝１．３ｘｌ０１６（ｃｍ＿３ＩＣ３／２），于是可以得到內(nèi)建電勢Ｆｂｉ與溫度有關(guān)。??１５??

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
[1]飛行時(shí)間法無掃描三維成像攝像機(jī)的機(jī)理和特性研究[D]. 潘華東.浙江大學(xué) 2010

碩士論文
[1]單光子雪崩二極管建模及基于熒光壽命成像的像素單元設(shè)計(jì)[D]. 謝小朋.南京郵電大學(xué) 2016
[2]時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[D]. 湯麗珍.湘潭大學(xué) 2016
[3]SPAD相位解調(diào)測距技術(shù)的研究[D]. 楊佳.湘潭大學(xué) 2016
[4]基于PPD結(jié)構(gòu)的TOF測距圖像傳感器設(shè)計(jì)[D]. 劉維輝.湘潭大學(xué) 2016
[5]高性能紫外探測器新結(jié)構(gòu)及其CMOS讀出電路研究[D]. 趙永嘉.湘潭大學(xué) 2013
[6]面向三維成像的單光子雪崩二極管及像素電路的研究[D]. 周曉亞.湘潭大學(xué) 2013
[7]一種高速度高密度的單光子雪崩二極管探測器的研究與設(shè)計(jì)[D]. 趙菲菲.南京郵電大學(xué) 2013



本文編號：3314809