基于失調(diào)控制差分放大結(jié)構(gòu)的單光子雪崩二極管淬滅電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體提供了一種基于失調(diào)控制差分放大結(jié)構(gòu)的單光 子雪崩二極管淬滅電路，涉及光電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域中單光子雪崩二極管陣列型讀出電路的接 口電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 單光子探測(cè)技術(shù)能檢測(cè)極弱的光信號(hào)，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新興的探測(cè)技 術(shù)。單光子探測(cè)器廣泛應(yīng)用于非破壞性物質(zhì)成分分析、生物發(fā)光及放射探測(cè)、天文高能物理 現(xiàn)象探測(cè)、激光三維成像、深空或自由空間通信以及量子保密通訊等。隨著半導(dǎo)體光電探測(cè) 器工藝技術(shù)的發(fā)展，能探測(cè)微弱信號(hào)的雪崩光電二極管已達(dá)到單光子檢測(cè)靈敏度的水平。
[0003] 用于單光子探測(cè)的雪崩光電二極管，通常稱為單光子雪崩二極管（Single-Photon Avalanche Diode，SPAD)。為了檢測(cè)單個(gè)光子，SPAD通常工作于蓋革模式，即偏置在高于其 雪崩電壓的工作點(diǎn)；此時(shí)，當(dāng)單個(gè)光子進(jìn)入SPAD時(shí)，會(huì)以一定的概率觸發(fā)雪崩擊穿，使電流 呈階梯狀的增加，在數(shù)十皮秒即上升到毫安量級(jí)，產(chǎn)生明顯的電流脈沖。雪崩擊穿是一種自 持行為，如果不采取抑制措施，雪崩過(guò)程將會(huì)持續(xù)直至器件損傷。為了使器件能夠正常工 作，必須使用雪崩淬滅電路來(lái)停止雪崩過(guò)程并將偏置電壓復(fù)位，使SPAD迅速恢復(fù)到截止以 及重新進(jìn)入可以探測(cè)光子的狀態(tài)。因此，淬滅電路需要完成四個(gè)作用：能迅速檢測(cè)到雪崩電 流上升沿；產(chǎn)生一個(gè)與雪崩信號(hào)同步的標(biāo)準(zhǔn)脈沖輸出；雪崩開(kāi)始后，迅速降低SPAD兩端電 壓到雪崩電壓以下來(lái)抑制雪崩，將SPAD關(guān)斷；為進(jìn)行下一次探測(cè)，使SPAD兩端電壓能自動(dòng) 恢復(fù)到原工作電壓。SPAD偏置和淬滅電路通常與門(mén)控技術(shù)相結(jié)合。
[0004] 目前單光子探測(cè)技術(shù)正在向集成化、微型化、陣列化、高時(shí)間分辨率的方向發(fā)展。 SPAD陣列化的應(yīng)用也要求其后端的淬滅電路必須相應(yīng)的陣列化，這對(duì)淬滅電路提出了更多 更高的要求：集成、微型、簡(jiǎn)單、低功耗、低噪聲、高速檢測(cè)。而目前的淬滅電路研宄從早期的 被動(dòng)淬滅發(fā)展成主動(dòng)淬滅，之后出現(xiàn)主被動(dòng)混合式淬滅，一部分設(shè)計(jì)因?yàn)殡娐窂?fù)雜、面積過(guò) 大而很少用于大規(guī)模陣列中，大部分研宄僅僅停留在不同工藝下的仿真驗(yàn)證階段，或者基 于分立器件的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段。近幾年出現(xiàn)的負(fù)載可變淬滅電路因電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合集成 于大陣列應(yīng)用，已有研宄將此類(lèi)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于32X32陣列的讀出電路，且具有較理想的測(cè)試 結(jié)果。
[0005] 但是，本發(fā)明人經(jīng)過(guò)研宄發(fā)現(xiàn)，上述結(jié)構(gòu)普遍存在的問(wèn)題是檢測(cè)閾值較高，檢測(cè)電 路的檢測(cè)閾值必須大于NMOS管的開(kāi)啟電壓，這會(huì)導(dǎo)致淬滅電路受SPAD偏置電壓非線性效 應(yīng)影響較大。因?yàn)榭紤]特定的SPAD其偏置電壓的非線性效應(yīng)：由于陣列規(guī)模的擴(kuò)大，雪崩 電流在電源寄生內(nèi)阻以及淬滅電路檢測(cè)電阻上產(chǎn)生的壓降造成SPAD PN結(jié)上反偏電壓呈非 線性下降，使得觸發(fā)的雪崩電流幅值無(wú)法滿足高閾值檢測(cè)要求。針對(duì)特定SPAD的這一特 性，一方面需要根據(jù)SPAD的偏壓非線性效應(yīng)選取合適的檢測(cè)電阻，一般情況下檢測(cè)電阻阻 值較??；另一方面要設(shè)計(jì)檢測(cè)閾值較小（低于NMOS管開(kāi)啟電壓）的檢測(cè)電路，因?yàn)闄z測(cè)電 路的檢測(cè)閾值越小，SPAD偏壓非線性對(duì)檢測(cè)造成的干擾越??；同時(shí)，閾值下限受噪聲水平 限制。而傳統(tǒng)的淬滅電路的檢測(cè)閾值受MOS管開(kāi)啟電壓的約束，無(wú)法實(shí)現(xiàn)低閾值檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的淬滅電路的檢測(cè)閾值較高，檢測(cè)閾值必須大于NMOS管的開(kāi) 啟電壓，從而會(huì)導(dǎo)致淬滅電路受SPAD偏置電壓非線性效應(yīng)影響較大的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提 供一種基于失調(diào)控制差分放大結(jié)構(gòu)的單光子雪崩二極管淬滅電路，打破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中淬滅 電路的檢測(cè)閾值必須大于NMOS管開(kāi)啟電壓的約束，實(shí)現(xiàn)了對(duì)亞毫安級(jí)雪崩電流的快速檢 測(cè)。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] -種基于失調(diào)控制差分放大結(jié)構(gòu)的單光子雪崩二極管淬滅電路，包括均與單光子 雪崩二極管P極連接的門(mén)控電路、快速?gòu)?fù)位電路、檢測(cè)電阻、低壓檢測(cè)電路和快速淬滅電 路；其中，
[0009] 所述門(mén)控電路用于接收外部輸入的門(mén)控使能信號(hào)，讓其處于導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)； [0010] 所述快速?gòu)?fù)位電路用于所述門(mén)控電路處于關(guān)斷狀態(tài)的同時(shí)，接收外部輸入的復(fù)位 信號(hào)讓其處于導(dǎo)通狀態(tài)，使所述單光子雪崩二極管P極電壓為零并處于待檢測(cè)狀態(tài)；
[0011] 所述檢測(cè)電阻用于當(dāng)所述單光子雪崩二極管檢測(cè)到光子產(chǎn)生雪崩電流時(shí)，雪崩電 流流經(jīng)所述檢測(cè)電阻并產(chǎn)生壓降，并將該壓降作為所述低壓檢測(cè)電路的輸入端電壓；
[0012] 所述低壓檢測(cè)電路采用基于失調(diào)控制的差分放大結(jié)構(gòu)，用于感應(yīng)輸入端電壓的變 化，當(dāng)輸入端電壓大于所述低壓檢測(cè)電路的檢測(cè)閾值時(shí)輸出端信號(hào)變成低電平，控制所述 檢測(cè)電阻關(guān)斷同時(shí)使所述快速淬滅電路導(dǎo)通；
[0013] 所述快速淬滅電路用于其導(dǎo)通時(shí)加速淬滅過(guò)程，并讓所述單光子雪崩二極管P極 電壓很快拉到高電平，使雪崩電流被淬滅。
[0014] 本發(fā)明提供的基于失調(diào)控制差分放大結(jié)構(gòu)的單光子雪崩二極管淬滅電路，通過(guò)調(diào) 節(jié)和改進(jìn)電路內(nèi)部的對(duì)稱性，并引入人為控制失配，使只有所述低壓檢測(cè)電路正負(fù)輸入之 差為一個(gè)固定值，即所述低壓檢測(cè)電路的檢測(cè)閾值近似等于人為引入的失調(diào)電壓時(shí)，所述 低壓檢測(cè)電路的輸出端信號(hào)才變成低電平，而這個(gè)檢測(cè)閾值是可以小于NMOS管的開(kāi)啟電 壓的，因而實(shí)現(xiàn)了低壓檢測(cè)的目的，打破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中淬滅電路的檢測(cè)閾值必須大于NMOS 管開(kāi)啟電壓的約束，有效地減小了從光子到達(dá)到幅度檢測(cè)器檢測(cè)到電壓信號(hào)所用的時(shí)間， 同時(shí)減小了 SPAD偏壓非線性對(duì)檢測(cè)造成的干擾；門(mén)控模式與主動(dòng)淬滅相結(jié)合可以精確的 控制復(fù)位時(shí)間和淬滅時(shí)間，從而減小暗計(jì)數(shù)和后脈沖概率并提高SPAD的可靠性。
[0015] 進(jìn)一步，所述門(mén)控電路為第一 PMOS管，所述第一 PMOS管的柵極與外部輸入的門(mén)控 使能信號(hào)連接，源極與電源VDD連接，漏極與所述單光子雪崩二極管的P極連接。
[0016] 進(jìn)一步，所述快速?gòu)?fù)位電路為第一 NMOS管，所述第一 NMOS管的柵極與外部輸入的 復(fù)位信號(hào)連接，源極接地，漏極與所述單光子雪崩二極管的P極連接。
[0017] 進(jìn)一步，所述檢測(cè)電阻為第二NMOS管，所述第二NMOS管的柵極與所述低壓檢測(cè)電 路的輸出端連接，源極接地，漏極與所述單光子雪崩二極管的P極連接。
[0018] 進(jìn)一步，所述低壓檢測(cè)電路包括自偏置差分放大器和反相器，所述自偏置差分放 大器用于感應(yīng)所述檢測(cè)電阻上的壓降Vinl，人為引入失調(diào)電壓，實(shí)現(xiàn)低壓檢測(cè)；所述反相 器用于對(duì)所述自偏置差分放大器輸出的V rat值進(jìn)行整形后輸出，以使得所述低壓檢測(cè)電路 的輸出端信號(hào)為軌至軌輸出。
[0019] 進(jìn)一步，所述自偏置差分放大器由尾電流管、差分輸入管和負(fù)載電流鏡組成，所述 尾電流管為第二PMOS管，所述差分輸入管包括第三PMOS管和第四PMOS管，所述負(fù)載電流 鏡包括第三NMOS管和第四NMOS管；所述第二PMOS管的柵極與所述第三NMOS管和第四 NMOS管的柵極連接，源極與電源VDD連接，漏極與所述第三PMOS管和第四PMOS管的源極連 接；所述第三PMOS管的柵極作為所述低壓檢測(cè)電路的反向輸入端與所述單光子雪崩二極 管的P極