SPAD ერთფოტონიანი ზვავის ფოტოდეტექტორი

SPADერთფოტონიანი ზვავის ფოტოდეტექტორი

როდესაც SPAD ფოტოდეტექტორის სენსორები პირველად იქნა წარმოდგენილი, ისინი ძირითადად დაბალი განათების პირობებში აღმოჩენის სცენარებში გამოიყენებოდა. თუმცა, მათი მუშაობის ევოლუციასთან და სცენის მოთხოვნების განვითარებასთან ერთად,SPAD ფოტოდეტექტორისენსორები სულ უფრო ხშირად გამოიყენება სამომხმარებლო სცენარებში, როგორიცაა საავტომობილო რადარები, რობოტები და უპილოტო საფრენი აპარატები. მაღალი მგრძნობელობისა და დაბალი ხმაურის მახასიათებლების გამო, SPAD ფოტოდეტექტორის სენსორი იდეალური არჩევანი გახდა მაღალი სიზუსტის სიღრმის აღქმისა და დაბალი განათების პირობებში გამოსახულების მისაღებად.

PN შეერთებებზე დაფუძნებული ტრადიციული CMOS გამოსახულების სენსორებისგან (CIS) განსხვავებით, SPAD ფოტოდეტექტორის ძირითადი სტრუქტურა არის გეიგერის რეჟიმში მომუშავე ზვავისებრი დიოდი. ფიზიკური მექანიზმების თვალსაზრისით, SPAD ფოტოდეტექტორის სირთულე მნიშვნელოვნად მაღალია PN შეერთების მოწყობილობებთან შედარებით. ეს ძირითადად იმაში აისახება, რომ მაღალი უკუღმა გადახრის პირობებში, ის უფრო მეტად იწვევს პრობლემებს, როგორიცაა დაუბალანსებელი მატარებლების ინექცია, თერმული ელექტრონული ეფექტები და დეფექტური მდგომარეობებით გამოწვეული გვირაბის დენები. ეს მახასიათებლები მას სერიოზულ გამოწვევებს უქმნის დიზაინის, პროცესისა და წრედის არქიტექტურის დონეზე.

საერთო შესრულების პარამეტრებიSPAD ზვავის ფოტოდეტექტორიმოიცავს პიქსელის ზომას (Pixel Size), ბნელი დათვლის ხმაურს (DCR), სინათლის აღმოჩენის ალბათობას (PDE), მკვდარი დრო (DeadTime) და რეაგირების დროს (Response Time). ეს პარამეტრები პირდაპირ გავლენას ახდენს SPAD ზვავის ფოტოდეტექტორის მუშაობაზე. მაგალითად, ბნელი დათვლის სიჩქარე (DCR) დეტექტორის ხმაურის განსაზღვრის მთავარი პარამეტრია და SPAD-მა უნდა შეინარჩუნოს დაშლაზე მაღალი მიკერძოება, რათა იფუნქციონიროს როგორც ერთფოტონიანი დეტექტორი. სინათლის აღმოჩენის ალბათობა (PDE) განსაზღვრავს SPAD-ის მგრძნობელობას.ზვავის ფოტოდეტექტორიდა მასზე გავლენას ახდენს ელექტრული ველის ინტენსივობა და განაწილება. გარდა ამისა, DeadTime არის დრო, რომელიც საჭიროა SPAD-ისთვის ამოქმედების შემდეგ საწყის მდგომარეობაში დასაბრუნებლად, რაც გავლენას ახდენს ფოტონების აღმოჩენის მაქსიმალურ სიჩქარესა და დინამიურ დიაპაზონზე.

SPAD მოწყობილობების მუშაობის ოპტიმიზაციისას, ძირითადი მუშაობის პარამეტრებს შორის შეზღუდვების ურთიერთობა მნიშვნელოვან გამოწვევას წარმოადგენს: მაგალითად, პიქსელის მინიატურიზაცია პირდაპირ იწვევს PDE შესუსტებას, ხოლო ზომის მინიატურიზაციით გამოწვეული კიდის ელექტრული ველების კონცენტრაცია ასევე გამოიწვევს DCR-ის მკვეთრ ზრდას. მკვდარი დროის შემცირება გამოიწვევს პოსტ-იმპულსურ ხმაურს და გააუარესებს დროის რხევის სიზუსტეს. ამჟამად, უახლესი გადაწყვეტა გარკვეულწილად თანამშრომლობით ოპტიმიზაციას აღწევს ისეთი მეთოდების მეშვეობით, როგორიცაა DTI/დაცვის მარყუჟი (ჯვარედინი საუბრის ჩახშობა და DCR-ის შემცირება), პიქსელის ოპტიკური ოპტიმიზაცია, ახალი მასალების დანერგვა (SiGe ზვავის ფენის ინფრაწითელი რეაგირების გამაძლიერებელი) და სამგანზომილებიანი დაწყობილი აქტიური ჩაქრობის სქემები.