SPAD
Jak działa
1) Polaryzacja: dioda jest spolaryzowana zaporowo powyżej napięcia przebicia o napięcie nadmiarowe. 2) Absorpcja: foton generuje w obszarze zubożonym parę elektron-dziura. 3) Lawina: silne pole elektryczne (>3×10^5 V/cm) wywołuje jonizację zderzeniową i samopodtrzymującą się lawinę, dającą szybki impuls prądowy. 4) Znacznik czasu: zbocze narastające impulsu, odczytane przez dyskryminator i konwerter czas-cyfra (TDC), wyznacza moment przybycia fotonu. 5) Gaszenie: układ gaszący (pasywny/aktywny) obniża napięcie poniżej przebicia, przerywając lawinę. 6) Reset i czas martwy: dioda wraca do polaryzacji roboczej; w czasie martwym nie rejestruje fotonów. W LiDAR dToF wielokrotne pomiary czasu przelotu akumuluje się w histogramie (TCSPC), z którego wyznacza się odległość; macierze SPAD tworzą obraz głębi 3D.
Rozwiązany problem
Klasyczne fotodetektory (fotodioda PIN, a nawet APD w trybie liniowym) nie są w stanie wykryć pojedynczego fotonu ani zmierzyć jego czasu przybycia z dokładnością pikosekundową w skali układu scalonego. SPAD rozwiązuje problem detekcji przy skrajnie niskim natężeniu światła i precyzyjnego pomiaru czasu przelotu (time-of-flight), co jest warunkiem cyfrowego LiDAR-u dToF, obrazowania 3D w słabym oświetleniu oraz technik zliczania pojedynczych fotonów.
Komponenty
Zubożone złącze p-n, w którym silne pole elektryczne powoduje jonizację zderzeniową i samopodtrzymującą się lawinę po absorpcji fotonu.
Domieszkowana struktura wokół obszaru aktywnego zapobiegająca przedwczesnemu przebiciu krawędziowemu i zawężająca lawinę do zdefiniowanego obszaru.
Układ pasywny (rezystor balastowy) lub aktywny (dyskryminator obniżający polaryzację) przerywający lawinę i resetujący diodę; determinuje czas martwy.
Oficjalna
Elektronika odczytu rejestrująca moment lawiny; w LiDAR dToF akumuluje wielokrotne pomiary w histogramie czasu przelotu (TCSPC).
Oficjalna
Implementacja
Nośniki uwięzione w pułapkach uwalniają się podczas odzysku i wyzwalają wtórne lawiny, dając statystyki nie-Poissonowskie.
Termicznie generowane nośniki wywołują fałszywe lawiny, ograniczając czułość, zwłaszcza w temperaturze pokojowej i w InGaAs.
Przy dużym natężeniu światła detektor nasyca się, bo w czasie martwym nie rejestruje fotonów, co zniekształca zliczenia.
Ewolucja
Prace R.J. McIntyre'a nad niestabilnością mikroplazmy i statystyką wzmocnienia lawinowego, fundament dla detektorów lawinowych.
Praca Cova i in. w Applied Optics systematyzuje detekcję pojedynczych fotonów fotodiodami lawinowymi i układy gaszące.
Demonstracja SPAD w standardowej technologii CMOS otworzyła drogę do tanich, zintegrowanych macierzy i elektroniki odczytu.
Wprowadzenie stackowanych czujników SPAD dToF (np. Sony IMX459) dla LiDAR-u samochodowego; rozwój macierzy megapikselowych.
Hiperparametry (konfigurowalne osie)
Napięcie ponad przebiciem; wyższe zwiększa PDE, ale rośnie DCR i afterpulsing.
Czas odzysku po lawinie; determinuje maksymalną częstość zliczeń (aktywne gaszenie: ~1–2 ns).
Prawdopodobieństwo, że padający foton wywoła lawinę; zależne od długości fali i napięcia nadmiarowego.
Fałszywe zliczenia z nośników termicznych; w SPAD CMOS osiągalne <10 Hz.
Niepewność znacznika czasu; nowoczesne SPAD CMOS ~50 ps.
Si (widzialne/NIR), Ge-on-Si i InGaAs/InP (podczerwień telekom).
Liczba pikseli i udział powierzchni czynnej; nowoczesne macierze >1 Mpx, fill factor >70%.