大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路的創(chuàng)新設(shè)計與性能優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義在科技飛速發(fā)展的當下，光電技術(shù)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛和深入。單光子雪崩二極管（SinglePhotonAvalancheDiode，SPAD）作為一種關(guān)鍵的光電探測器件，憑借其卓越的性能，在現(xiàn)代應(yīng)用中吸引了大量關(guān)注。SPAD的工作原理基于光電效應(yīng)與反向偏壓下的雪崩效應(yīng)，這使其能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度的光子計數(shù)和探測。在激光雷達領(lǐng)域，禾賽科技的第四代芯片架構(gòu)平臺將于2025年全面量產(chǎn)，其接收端采用SPAD面陣探測器，測距能力可達30米@10%反射率，點頻可達49.2萬點每秒，充分展現(xiàn)了SPAD技術(shù)在提升激光雷達性能方面的顯著優(yōu)勢；在量子通信中，SPAD對單個光子的高靈敏度探測能力，能夠有效保障量子信號的準確傳輸和接收，為實現(xiàn)安全可靠的量子通信提供了關(guān)鍵支撐；在熒光光譜分析里，SPAD可以精確探測微弱的熒光信號，幫助科研人員獲取更準確的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和成分信息。然而，SPAD技術(shù)也存在一定的局限性，其中淬滅現(xiàn)象是限制其性能進一步提升的關(guān)鍵因素之一。當SPAD被光子觸發(fā)進入雪崩狀態(tài)后，如果沒有有效的淬滅措施，二極管會長時間處于大電流狀態(tài)，這不僅容易燒毀器件，使其無法進行下一次探測，還會導致死區(qū)時間延長，限制了SPAD在高速成像等領(lǐng)域的應(yīng)用。例如，在高速動態(tài)場景的成像中，由于SPAD的淬滅時間常量約為幾十納秒，在這段時間內(nèi)無法對新的光子進行有效探測，從而導致成像信息的丟失，影響成像的準確性和完整性。為了解決上述問題，淬滅電路應(yīng)運而生。淬滅電路作為保護SPAD的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到SPAD的穩(wěn)定性和可靠性。通過合理設(shè)計淬滅電路，可以快速抑制雪崩電流，使SPAD迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)，為下一次探測做好準備，從而有效提高SPAD的工作效率和性能。目前，常見的淬滅電路主要有被動淬滅電路、主動淬滅電路以及門控淬滅電路等。被動淬滅電路結(jié)構(gòu)相對簡單，主要通過與SPAD串聯(lián)的大電阻實現(xiàn)淬滅功能，但這種方式存在版圖占用面積過大、恢復(fù)時間較長等問題；主動淬滅電路在被動淬滅電路的基礎(chǔ)上增加了反饋回路和控制開關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)雪崩電流的主動淬滅，復(fù)位時間明顯降低，但電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；門控淬滅電路則通過特定的門控信號來控制SPAD的工作狀態(tài)，在某些應(yīng)用場景中具有獨特的優(yōu)勢，但也存在一定的局限性。隨著對SPAD成像技術(shù)需求的不斷增加，大規(guī)模陣列SPAD的應(yīng)用越來越廣泛。然而，大規(guī)模陣列的使用帶來了諸如寄生效應(yīng)、功耗增加、面積增大等一系列新問題，這些問題嚴重影響了成像質(zhì)量，使得大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路的設(shè)計面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，深入研究大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路，進一步提高其抗淬滅能力，成為當前SPAD技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。對大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路的研究具有極其重要的意義。從學術(shù)研究角度來看，它有助于深入理解SPAD的工作原理和性能特點，為光電子技術(shù)中單光子探測與成像的理論研究提供新的思路和方法，推動該領(lǐng)域的學術(shù)發(fā)展。從實際應(yīng)用層面出發(fā)，提高SPAD的抗淬滅能力能夠顯著提升SPAD成像技術(shù)的應(yīng)用范圍和成像效果。在自動駕駛領(lǐng)域，更高效的淬滅電路可以使激光雷達中的SPAD探測器更快速地響應(yīng)周圍環(huán)境的變化，提高對障礙物的檢測精度和及時性，從而增強自動駕駛系統(tǒng)的安全性和可靠性；在生物醫(yī)療領(lǐng)域，如熒光壽命成像中，優(yōu)化后的淬滅電路能夠幫助SPAD更準確地捕捉熒光信號，為疾病的診斷和治療提供更精確的依據(jù)；在安防監(jiān)控領(lǐng)域，大規(guī)模陣列SPAD配合高性能淬滅電路可以實現(xiàn)更清晰、更快速的成像，提高對監(jiān)控區(qū)域的監(jiān)測能力。研究大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路設(shè)計與優(yōu)化方法，為SPAD技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供了堅實的技術(shù)支撐，具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在單光子雪崩二極管（SPAD）淬滅電路設(shè)計領(lǐng)域，國內(nèi)外科研人員已開展了大量深入且富有成效的研究工作，取得了一系列具有重要價值的成果，同時也面臨著一些亟待解決的問題。國外在SPAD淬滅電路設(shè)計方面起步較早，處于領(lǐng)先地位。早在20世紀90年代，就有研究人員開始探索SPAD的淬滅機制，并提出了一些簡單的淬滅電路結(jié)構(gòu)。近年來，隨著科技的迅猛發(fā)展，國外在該領(lǐng)域的研究不斷取得新的突破。美國麻省理工學院的科研團隊通過對SPAD工作原理的深入研究，提出了一種基于自適應(yīng)反饋控制的主動淬滅電路設(shè)計方案。該方案利用高速反饋電路實時監(jiān)測SPAD的雪崩電流，當檢測到雪崩電流超過設(shè)定閾值時，迅速調(diào)整控制信號，使SPAD快速恢復(fù)到初始狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，這種電路能夠?qū)PAD的死區(qū)時間縮短至原來的1/3，顯著提高了SPAD的工作效率和計數(shù)率。德國卡爾斯魯厄理工學院的研究人員則專注于門控淬滅電路的研究，他們通過優(yōu)化門控信號的時序和幅度，成功降低了SPAD的暗計數(shù)率，提高了探測的準確性。在大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路設(shè)計方面，瑞士的一家研究機構(gòu)提出了一種分布式淬滅電路架構(gòu)，該架構(gòu)將淬滅電路分散到每個SPAD像素中，有效減少了寄生效應(yīng)的影響，提高了成像質(zhì)量。然而，這種架構(gòu)也存在電路復(fù)雜度高、功耗大等問題，限制了其在實際應(yīng)用中的推廣。國內(nèi)在SPAD淬滅電路設(shè)計領(lǐng)域的研究雖然起步相對較晚，但發(fā)展迅速，取得了不少令人矚目的成果。東南大學的科研團隊針對大規(guī)模陣列SPAD的特點，提出了一種基于電容感應(yīng)的主動淬滅電路設(shè)計方案。該方案通過在SPAD像素中集成電容傳感器，快速感應(yīng)雪崩電流的變化，并利用高速開關(guān)電路實現(xiàn)對雪崩電流的主動淬滅。實驗結(jié)果顯示，該電路在保證淬滅效果的同時，有效降低了電路的功耗和面積，提高了陣列的集成度。中國科學院半導體研究所的研究人員則致力于研究一種新型的混合淬滅電路，該電路結(jié)合了被動淬滅和主動淬滅的優(yōu)點，通過合理設(shè)計電路參數(shù)，實現(xiàn)了對SPAD雪崩電流的快速抑制和恢復(fù)。在實際應(yīng)用中，該電路表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性和可靠性，能夠滿足多種應(yīng)用場景的需求。然而，國內(nèi)在大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路設(shè)計方面仍面臨一些挑戰(zhàn)，如電路的抗干擾能力較弱、與其他系統(tǒng)的兼容性有待提高等。綜合來看，國內(nèi)外在大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路設(shè)計方面取得了顯著的成果，提出了多種有效的設(shè)計方案。但現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處，如部分電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導致成本增加和功耗上升；一些方案在抑制寄生效應(yīng)、提高成像質(zhì)量方面還存在一定的局限性；此外，對于不同應(yīng)用場景下的SPAD淬滅電路設(shè)計，缺乏針對性和系統(tǒng)性的研究。因此，進一步深入研究大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路的設(shè)計與優(yōu)化方法，具有重要的理論和實際意義，也是未來該領(lǐng)域的研究重點和發(fā)展方向。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究圍繞大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路設(shè)計展開，具體內(nèi)容如下：SPAD淬滅現(xiàn)象及其影響因素研究：深入剖析SPAD的工作原理，明確雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的機制以及淬滅現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。通過查閱大量文獻資料和實驗數(shù)據(jù)，分析光子到達時間、雪崩電流大小、溫度變化、偏置電壓波動等因素對淬滅現(xiàn)象的具體影響，為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)。大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路設(shè)計關(guān)鍵問題分析：針對大規(guī)模陣列SPAD的特點，如寄生電容和寄生電感的增加、信號傳輸延遲、功耗增大等問題，研究這些因素對淬滅電路性能的影響。分析如何在大規(guī)模陣列中實現(xiàn)快速、準確的雪崩電流檢測，以及如何有效抑制寄生效應(yīng)，減少死區(qū)時間，提高淬滅電路的穩(wěn)定性和可靠性。大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路多種方案設(shè)計和仿真：基于對SPAD淬滅現(xiàn)象和關(guān)鍵問題的研究，結(jié)合現(xiàn)有淬滅電路設(shè)計技術(shù)，如被動淬滅、主動淬滅和門控淬滅等，設(shè)計多種適用于大規(guī)模陣列SPAD的淬滅電路方案。利用SPICE、Cadence等仿真軟件對設(shè)計的電路方案進行仿真分析，模擬不同工作條件下電路的性能表現(xiàn)，包括淬滅時間、恢復(fù)時間、功耗、噪聲等參數(shù)。方案評估與最佳方案選擇：根據(jù)仿真結(jié)果，建立全面、科學的評估指標體系，對多種淬滅電路方案的優(yōu)劣進行綜合評估。考慮電路的性能指標、復(fù)雜度、成本、可擴展性等因素，選擇出在性能、成本和可實現(xiàn)性等方面達到最佳平衡的方案，作為后續(xù)實際實現(xiàn)和測試的基礎(chǔ)。最佳方案實現(xiàn)、測試驗證與性能測試分析：根據(jù)選定的最佳方案，進行電路的實際設(shè)計、制作和調(diào)試。采用先進的集成電路設(shè)計技術(shù)和工藝，確保電路的性能和可靠性。搭建測試平臺，對實際制作的淬滅電路進行全面的測試驗證，包括功能測試、性能測試和穩(wěn)定性測試等。通過對測試數(shù)據(jù)的深入分析，評估電路的實際性能，與仿真結(jié)果進行對比，進一步優(yōu)化電路設(shè)計。1.3.2研究方法本研究綜合運用多種方法，確保研究的科學性和有效性：文獻研究法：廣泛查閱國內(nèi)外關(guān)于SPAD、淬滅電路設(shè)計以及大規(guī)模陣列應(yīng)用的相關(guān)文獻資料，包括學術(shù)期刊論文、學位論文、專利文獻、技術(shù)報告等。全面了解SPAD淬滅現(xiàn)象及其影響因素的研究現(xiàn)狀，分析目前SPAD淬滅電路存在的缺陷和不足，掌握大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路設(shè)計的最新研究動態(tài)和發(fā)展趨勢，為后續(xù)研究提供理論依據(jù)和研究思路。理論分析法：基于SPAD的工作原理和雪崩效應(yīng)的物理機制，運用電路理論、半導體物理等相關(guān)知識，對大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路設(shè)計所涉及的關(guān)鍵問題進行深入的理論分析。建立數(shù)學模型，推導相關(guān)公式，分析電路參數(shù)對性能的影響規(guī)律，為電路方案的設(shè)計提供理論指導。仿真計算法：借助SPICE、Cadence等專業(yè)仿真軟件，對設(shè)計的多種大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路方案進行仿真計算。設(shè)置不同的仿真參數(shù)，模擬電路在各種工作條件下的運行情況，獲取電路的性能指標數(shù)據(jù)。通過對仿真結(jié)果的分析和比較，評估各方案的優(yōu)劣，為方案的選擇和優(yōu)化提供依據(jù)。實驗法：搭建實驗平臺，對實際制作的淬滅電路進行測試驗證和性能測試分析。使用高精度的測試儀器，如示波器、頻譜分析儀、光功率計等，對電路的各項性能指標進行準確測量。通過實驗數(shù)據(jù)的分析，驗證電路設(shè)計的正確性和有效性，發(fā)現(xiàn)電路存在的問題，并提出改進措施。輔助工具法：運用MATLAB、ADS等輔助工具，對研究過程中的數(shù)據(jù)進行處理和分析。利用MATLAB強大的數(shù)據(jù)處理和繪圖功能，對實驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果進行可視化處理，直觀展示電路性能的變化趨勢。借助ADS軟件進行射頻電路的設(shè)計和分析，優(yōu)化電路的射頻性能，提高研究效率和準確性。二、SPAD及淬滅電路基礎(chǔ)理論2.1SPAD工作原理及關(guān)鍵參數(shù)2.1.1SPAD基本工作原理單光子雪崩二極管（SPAD）作為一種高性能的光電探測器件，其工作原理基于光電效應(yīng)和雪崩效應(yīng)。從本質(zhì)上講，SPAD是一個工作在反向偏壓下的PN結(jié)，且工作電壓高于擊穿電壓，處于蓋革模式。當沒有光子入射時，耗盡區(qū)（倍增區(qū)）中沒有自由載流子，雖然SPAD兩端施加了高于雪崩擊穿電壓的反向偏壓，器件耗盡區(qū)中形成了很強的電場，但此時沒有自由載流子發(fā)生電離，SPAD處于穩(wěn)態(tài)。一旦有光子入射到SPAD上，且光子能量足夠，便會在SPAD的耗盡區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對，這一過程基于光電效應(yīng)。新產(chǎn)生的電子-空穴對在耗盡區(qū)高電場強度的作用下獲得能量，并與晶格原子碰撞，產(chǎn)生更多的電子-空穴對，這個過程即為雪崩倍增效應(yīng)。由于SPAD工作在高于雪崩擊穿電壓的反向偏壓下，當光子引發(fā)雪崩效應(yīng)時，如果反向偏壓足夠高，SPAD將進入蓋革模式，此時的增益理論上是無窮大，即單個光子就能使SPAD產(chǎn)生飽和的光電流。以硅基SPAD為例，假設(shè)一個波長為500nm的光子入射到硅基SPAD的耗盡區(qū)，光子能量約為2.48eV，大于硅的禁帶寬度1.12eV，光子被吸收后產(chǎn)生一個電子-空穴對。在耗盡區(qū)約為10^5V/cm的強電場作用下，電子和空穴獲得足夠的能量與晶格原子碰撞，產(chǎn)生新的電子-空穴對。這些新產(chǎn)生的載流子又會繼續(xù)碰撞，形成連鎖反應(yīng)，在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生大量的載流子，從而使SPAD產(chǎn)生可被檢測到的電信號。然而，雪崩一旦發(fā)生，如果沒有外界干預(yù)，SPAD會一直維持在雪崩狀態(tài)，無法檢測下一個光子，且過大的雪崩電流會使器件產(chǎn)生損耗。因此，需要通過淬滅電路降低SPAD兩端電壓，使得雪崩信號輸出后，電場迅速降低，終止雪崩過程，然后再以較快的速度將電場提升到待雪崩狀態(tài)，等待下次光子觸發(fā)。2.1.2SPAD關(guān)鍵參數(shù)分析探測效率（PhotonDetectionEfficiency,PDE）探測效率是衡量SPAD檢測光子能力的重要指標，表示在一定條件下，觸發(fā)雪崩效應(yīng)的光子占總?cè)肷涔庾拥谋壤?。PDE受到多種因素的影響，主要包括量子探測效率（QuantumEfficiency,QE）、入光口的填充因子（FillFactor,FF）以及光生載流子觸發(fā)雪崩概率（ProbabilityofTriggeringAvalanche,PT），其關(guān)系可表示為PDE=QE×FF×PT。量子探測效率主要取決于SPAD的材料和結(jié)構(gòu)，不同材料對不同波長光子的吸收能力不同，例如硅基SPAD在可見光和近紅外波段具有較高的量子探測效率，而InGaAs基SPAD則在1.0-1.7μm的短波紅外波段表現(xiàn)出色；填充因子與SPAD的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝有關(guān)，如淬滅電阻、頂部引出電極以及像素隔離結(jié)構(gòu)的布局都會影響填充因子，填充因子越高，意味著更多的光子能夠被有效接收；光生載流子觸發(fā)雪崩概率則與器件內(nèi)部的電場分布、載流子遷移率等因素相關(guān)。較高的探測效率對于需要檢測微弱光信號的應(yīng)用至關(guān)重要，如在量子通信中，高探測效率能夠提高量子密鑰分發(fā)的成功率，保障通信的安全性和可靠性；在熒光光譜分析中，有助于更準確地探測熒光信號，獲取物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和成分信息。暗計數(shù)率（DarkCountRate,DCR）暗計數(shù)率指在沒有光照射的情況下，由于熱噪聲、隧道效應(yīng)等因素引起的誤計數(shù)率。產(chǎn)生暗計數(shù)的原因較為復(fù)雜，主要包括中性區(qū)載流子的擴散、耗盡區(qū)熱載流子的產(chǎn)生與帶間隧穿等。隨著CMOS工藝尺寸的減小，SPAD耗盡層變薄，電場強度相應(yīng)增大，由帶間隧穿產(chǎn)生的載流子可能會以一定的概率觸發(fā)雪崩，成為產(chǎn)生暗計數(shù)的主要原因之一。暗計數(shù)率與溫度密切相關(guān)，溫度升高會導致熱載流子產(chǎn)生的概率增加，從而使暗計數(shù)率上升。例如，在高溫環(huán)境下，硅基SPAD的暗計數(shù)率可能會顯著提高，影響其探測性能。暗計數(shù)的存在會干擾真實光子信號的檢測，降低系統(tǒng)的信噪比，在對信號準確性要求極高的應(yīng)用中，如單分子熒光成像，過高的暗計數(shù)率可能會導致對微弱熒光信號的誤判，影響實驗結(jié)果的準確性。飽和計數(shù)率（SaturationCountRate）飽和計數(shù)率是指SPAD能夠準確探測到的最大光子計數(shù)率。當入射光子速率超過飽和計數(shù)率時，SPAD將無法區(qū)分不同光子觸發(fā)的雪崩事件，導致計數(shù)不準確。飽和計數(shù)率主要受SPAD的死區(qū)時間和恢復(fù)時間的限制。死區(qū)時間是指SPAD在觸發(fā)雪崩后，需要一段時間恢復(fù)到可以再次檢測光子的狀態(tài)，這段時間內(nèi)SPAD無法對新的光子進行有效探測；恢復(fù)時間則是SPAD從雪崩狀態(tài)恢復(fù)到初始可探測狀態(tài)所需的時間。例如，對于某些應(yīng)用于高速激光雷達的SPAD，要求其能夠快速響應(yīng)不斷變化的反射光信號，如果飽和計數(shù)率較低，就無法滿足實時、準確地探測目標物體距離和速度的需求，可能導致自動駕駛系統(tǒng)對障礙物的檢測出現(xiàn)延遲或錯誤，影響行車安全。定時抖動（TimingJitter）定時抖動指測量光子到達時間的精度，通常表現(xiàn)為時間測量的波動或不確定性。定時抖動主要由雪崩過程的隨機性、電路噪聲以及SPAD本身的特性等因素引起。在雪崩過程中，光子產(chǎn)生電子-空穴對的時間以及雪崩倍增的過程都存在一定的隨機性，導致每次雪崩產(chǎn)生的電信號到達時間存在差異；電路噪聲也會對信號的檢測和處理產(chǎn)生干擾，進一步增加定時抖動。定時抖動對于需要精確測量光子到達時間的應(yīng)用，如光時域反射儀（OTDR）和時間相關(guān)單光子計數(shù)（TCSPC）技術(shù)，具有重要影響。在OTDR中，定時抖動會影響對光纖中故障點位置的測量精度；在TCSPC中，會降低熒光壽命測量的準確性，從而影響對物質(zhì)熒光特性的分析和研究。雪崩倍增因子雪崩倍增因子是指SPAD發(fā)生雪崩擊穿后的電流與雪崩擊穿前的電流的比值，即SPAD的電流增益。雪崩倍增因子反映了SPAD對光信號的放大能力，其大小與SPAD的工作電壓、材料特性以及器件結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。在一定范圍內(nèi)，增加反向偏壓可以提高雪崩倍增因子，但同時也會帶來暗計數(shù)率增加等問題。較高的雪崩倍增因子使得SPAD能夠檢測到極其微弱的光信號，在單光子探測領(lǐng)域具有重要意義。然而，過大的雪崩倍增因子可能會導致信號失真和噪聲增加，因此需要在實際應(yīng)用中根據(jù)具體需求進行優(yōu)化和調(diào)整。2.2淬滅電路工作原理與分類2.2.1淬滅電路工作原理當SPAD被光子觸發(fā)進入雪崩狀態(tài)后，會產(chǎn)生持續(xù)的大電流。如果沒有有效的控制措施，雪崩電流會持續(xù)增長，不僅會消耗大量能量，還可能導致器件過熱甚至損壞，并且使得SPAD無法及時檢測下一個光子。淬滅電路的主要功能就是在SPAD發(fā)生雪崩后，迅速采取措施降低SPAD兩端的電壓，使電場強度減弱，從而抑制雪崩電流的持續(xù)增長，終止雪崩過程。以最簡單的電阻淬滅電路為例，當SPAD發(fā)生雪崩時，雪崩電流I_{avalanche}流過與SPAD串聯(lián)的淬滅電阻R_q，根據(jù)歐姆定律U=IR，在淬滅電阻上會產(chǎn)生壓降U_{R_q}=I_{avalanche}\timesR_q。由于SPAD兩端的電壓U_{SPAD}等于電源電壓V_{DD}減去淬滅電阻上的壓降，即U_{SPAD}=V_{DD}-U_{R_q}，隨著雪崩電流的增大，淬滅電阻上的壓降增大，SPAD兩端的電壓降低。當U_{SPAD}低于雪崩擊穿電壓V_{BD}時，耗盡區(qū)的電場強度不足以維持載流子的碰撞電離，雪崩過程被淬滅。此后，PN結(jié)耗盡區(qū)的寄生電容C_{parasitic}會通過淬滅電阻緩慢充電，使SPAD兩端的電壓逐漸恢復(fù)到初始偏置電壓V_{bias}，恢復(fù)時間t_{recovery}由RC時間常數(shù)決定，即t_{recovery}\approxR_q\timesC_{parasitic}，當電壓恢復(fù)到初始偏置電壓后，SPAD又可以再次檢測光子。2.2.2淬滅電路分類及特點目前，常見的淬滅電路主要有被動淬滅電路、主動淬滅電路以及混合淬滅電路，它們在結(jié)構(gòu)、淬滅和復(fù)位時間、檢測準確率等方面各有優(yōu)劣。被動淬滅電路被動淬滅電路結(jié)構(gòu)相對簡單，主要由一個與SPAD串聯(lián)的大電阻R_q組成。當SPAD發(fā)生雪崩時，雪崩電流在淬滅電阻上產(chǎn)生壓降，使得SPAD兩端的偏置電壓低于擊穿電壓，從而實現(xiàn)雪崩過程的淬滅。這種方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，成本較低。然而，它也存在一些明顯的缺點。由于感應(yīng)電阻會產(chǎn)生較大的面積消耗，對于大規(guī)模陣列SPAD而言，會占用大量的芯片面積，不利于芯片的集成度提升；并且感應(yīng)電阻與寄生電容共同形成的RC時間常數(shù)較大，導致SPAD的恢復(fù)時間較長，一般在幾十納秒到微秒量級。這使得SPAD在恢復(fù)期間無法對新的光子進行有效探測，死區(qū)時間較長，限制了其在高速應(yīng)用場景中的使用，通常應(yīng)用于單個探測器或?qū)z測速度要求不高的場景。例如，在一些簡單的熒光檢測實驗中，對檢測速度要求相對較低，被動淬滅電路能夠滿足基本的探測需求。主動淬滅電路主動淬滅電路在被動淬滅電路的基礎(chǔ)上增加了反饋回路和控制開關(guān)。當檢測到SPAD發(fā)生雪崩時，反饋回路會迅速檢測到雪崩電流的變化，并通過控制開關(guān)主動降低SPAD兩端的反向偏置電壓，實現(xiàn)雪崩電流的主動淬滅。這種方式的電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要額外的檢測和控制電路，但它的復(fù)位時間明顯降低，有效減小了死區(qū)時間，提高了最高工作頻率，能夠滿足高速應(yīng)用場景的需求。在激光雷達的高速測距應(yīng)用中，需要SPAD能夠快速響應(yīng)不斷變化的反射光信號，主動淬滅電路能夠使SPAD在短時間內(nèi)恢復(fù)到可探測狀態(tài)，準確地探測目標物體的距離和速度。然而，主動淬滅電路的實現(xiàn)需要合理選擇電阻或電容來感應(yīng)雪崩電流，其取值大小需要兼顧電路的速度、功耗和面積；同時，檢測閾值的選取也比較關(guān)鍵，閾值的選取與探測器的暗電流、雪崩電流相關(guān)，需要通過電路建模計算與仿真擇優(yōu)選擇，以實現(xiàn)較高的信噪比?；旌洗銣珉娐坊旌洗銣珉娐方Y(jié)合了被動淬滅和主動淬滅的優(yōu)點，通常先利用被動淬滅電路對雪崩電流進行初步抑制，然后通過主動淬滅電路進一步快速降低SPAD兩端的電壓，實現(xiàn)更快速的淬滅和恢復(fù)。這種電路在保證淬滅效果的同時，一定程度上降低了電路的復(fù)雜度和功耗。例如，在一些對性能要求較高且對功耗有一定限制的應(yīng)用中，混合淬滅電路能夠在滿足性能需求的前提下，合理控制功耗。在某些高端的生物醫(yī)療成像設(shè)備中，既需要SPAD具有快速的響應(yīng)能力，又要考慮設(shè)備的功耗和成本，混合淬滅電路就成為了一種較為理想的選擇。然而，混合淬滅電路的設(shè)計和調(diào)試相對復(fù)雜，需要精確控制被動淬滅和主動淬滅的時間和參數(shù)，以實現(xiàn)最佳的性能。三、大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路設(shè)計關(guān)鍵問題3.1寄生效應(yīng)影響與解決策略在大規(guī)模陣列SPAD中，寄生效應(yīng)是一個不容忽視的關(guān)鍵問題，它主要包括寄生電容和寄生電阻，這些寄生參數(shù)會對淬滅電路的性能產(chǎn)生多方面的負面影響。寄生電容主要來源于SPAD器件本身、電路布線以及芯片封裝等。在SPAD器件內(nèi)部，存在著PN結(jié)電容，其大小與SPAD的結(jié)構(gòu)和工藝相關(guān)。當多個SPAD組成大規(guī)模陣列時，相鄰SPAD之間以及SPAD與周邊電路之間會產(chǎn)生寄生耦合電容。在一個100×100的SPAD陣列中，由于相鄰SPAD間距較小，寄生耦合電容可能達到幾十fF。電路布線也會引入寄生電容，較長的布線會增加電容值，例如在多層布線的芯片中，不同金屬層之間的寄生電容可能對信號傳輸產(chǎn)生干擾。這些寄生電容會導致雪崩信號的延遲和失真，影響SPAD的時間分辨率和計數(shù)精度。寄生電容與淬滅電阻共同形成的RC時間常數(shù)會增大，從而延長SPAD的恢復(fù)時間，降低其工作頻率。寄生電阻同樣來自多個方面，包括SPAD的體電阻、電路布線電阻以及接觸電阻等。SPAD的體電阻與材料的電阻率和器件的幾何尺寸有關(guān)，一般在幾歐姆到幾十歐姆之間。電路布線電阻則取決于布線材料和長度，例如金屬鋁布線的電阻會隨著長度增加而增大。寄生電阻會在電路中產(chǎn)生額外的電壓降，導致SPAD兩端的實際偏置電壓降低，影響其雪崩特性。寄生電阻還會增加電路的功耗，在大規(guī)模陣列中，大量的寄生電阻累積起來會使功耗顯著增加。為了解決寄生效應(yīng)帶來的問題，可以采取以下策略：合理布局布線：在芯片設(shè)計階段，優(yōu)化SPAD陣列的布局，盡量減小相鄰SPAD之間的距離，以降低寄生耦合電容。采用合理的布線策略，縮短布線長度，減少寄生電容和電阻。例如，采用多層布線技術(shù)時，合理安排不同信號層的位置，避免相鄰層之間的信號干擾；對于關(guān)鍵信號的布線，采用較寬的線寬，以降低布線電阻。優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)：設(shè)計專門的電路結(jié)構(gòu)來補償寄生效應(yīng)的影響?？梢圆捎糜性措姼谢螂娙菅a償技術(shù)，通過在電路中引入額外的有源元件，對寄生電容或電阻進行補償，以改善電路的性能。例如，在一些高速電路中，采用電感電容諧振電路來補償寄生電容，提高信號的傳輸速度和質(zhì)量。采用先進工藝：隨著半導體工藝的不斷發(fā)展，新的工藝技術(shù)可以有效減小寄生參數(shù)。采用先進的CMOS工藝，能夠降低SPAD的體電阻和PN結(jié)電容；使用低電阻率的布線材料，如銅布線，可降低布線電阻。在一些高端的SPAD芯片中，采用3D集成工藝，將SPAD與淬滅電路等其他模塊進行垂直集成，不僅減小了芯片面積，還能降低寄生效應(yīng)。3.2功耗與面積優(yōu)化設(shè)計在大規(guī)模陣列SPAD中，功耗與面積是兩個關(guān)鍵的性能指標，對淬滅電路的整體性能和應(yīng)用范圍有著重要影響。隨著陣列規(guī)模的不斷增大，功耗增加和面積受限的問題愈發(fā)突出，嚴重制約了SPAD系統(tǒng)的性能提升和小型化發(fā)展。因此，采取有效的優(yōu)化設(shè)計方法來降低功耗、減小面積顯得尤為重要。從功耗方面來看，大規(guī)模陣列SPAD的功耗主要來源于SPAD器件本身以及與之配套的淬滅電路。在SPAD器件中，當發(fā)生雪崩時，會產(chǎn)生較大的電流，從而導致功耗增加。而在淬滅電路中，各種有源和無源元件在工作過程中也會消耗能量。在一個包含1000個SPAD像素的陣列中，若每個SPAD像素在雪崩時的平均電流為1mA，工作電壓為5V，則僅SPAD器件本身在雪崩期間的功耗就達到5W。對于大規(guī)模陣列來說，如此高的功耗不僅會增加系統(tǒng)的運行成本，還會導致芯片發(fā)熱嚴重，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。為降低功耗，可以從多個方面入手。在電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，采用低功耗的電路架構(gòu)，如動態(tài)功耗管理技術(shù)。這種技術(shù)通過在SPAD不工作或低負載時，自動調(diào)整電路的工作模式，降低電路的功耗。當一段時間內(nèi)沒有光子入射時，自動降低SPAD的偏置電壓，使其處于低功耗待機狀態(tài)，當有光子入射時，再迅速恢復(fù)到正常工作電壓。采用高效的淬滅方式也能有效降低功耗。與傳統(tǒng)的被動淬滅電路相比，主動淬滅電路能夠更快速地淬滅雪崩電流，減少雪崩持續(xù)時間，從而降低功耗。在器件選擇上，選用低功耗的晶體管和其他電子元件。例如，采用低閾值電壓的晶體管，能夠在較低的電源電壓下工作，從而降低功耗。在一些先進的CMOS工藝中，低閾值電壓的晶體管可以在1V以下的電源電壓下正常工作，相比傳統(tǒng)的高閾值電壓晶體管，能夠顯著降低功耗。合理設(shè)計電路參數(shù)，如電阻、電容的取值，也能優(yōu)化電路的功耗性能。通過精確計算和仿真，確定合適的電阻和電容值，使電路在滿足性能要求的前提下，功耗達到最小。從面積方面考慮，大規(guī)模陣列SPAD的面積主要包括SPAD像素本身的面積以及淬滅電路所占的面積。隨著陣列規(guī)模的增大，淬滅電路的面積在整個芯片面積中所占的比例越來越大，這不僅增加了芯片的制造成本，還限制了芯片的集成度和小型化。在一些早期的大規(guī)模陣列SPAD設(shè)計中，淬滅電路所占面積甚至超過了SPAD像素面積的50%。為減小面積，可以采用先進的集成電路設(shè)計技術(shù)和工藝。在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用緊湊的電路布局，將相關(guān)的電路元件盡可能地集成在一起，減少布線長度和面積。利用多層布線技術(shù)，將不同功能的電路層疊在一起，提高芯片的集成度。在工藝方面，采用先進的CMOS工藝，如14nm、7nm等，這些工藝能夠?qū)崿F(xiàn)更小的晶體管尺寸和更高的集成度，從而減小電路的面積。采用三維集成技術(shù)，將SPAD和淬滅電路等不同功能模塊在垂直方向上進行集成，進一步減小芯片的面積。在設(shè)計過程中，還可以考慮采用共享電路資源的方式來減小面積。對于大規(guī)模陣列中的多個SPAD像素，可以共享部分淬滅電路模塊，如共享雪崩電流檢測電路和控制電路。通過合理的電路設(shè)計和控制邏輯，使這些共享模塊能夠分時為不同的SPAD像素提供服務(wù)，從而在不影響性能的前提下，有效減小電路的面積。3.3一致性與穩(wěn)定性保障措施在大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路中，一致性與穩(wěn)定性是至關(guān)重要的性能指標，直接影響到整個系統(tǒng)的可靠性和準確性。由于制造工藝的非理想性，大規(guī)模陣列中的SPAD器件不可避免地存在擊穿電壓不一致的問題。不同SPAD的擊穿電壓可能會有一定的波動范圍，這會導致在相同的偏置電壓下，部分SPAD可能提前進入雪崩狀態(tài)，而部分SPAD則需要更高的電壓才能觸發(fā)雪崩，從而影響整個陣列的探測一致性和準確性。外界干擾，如電磁干擾、電源噪聲等，也會對淬滅電路的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴重影響，可能導致誤觸發(fā)或雪崩信號的失真，降低系統(tǒng)的信噪比和可靠性。為了保障大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路的一致性與穩(wěn)定性，可以采取以下措施：像素級偏壓調(diào)節(jié)：為了解決SPAD擊穿電壓不一致的問題，許多先進的淬滅電路具備了區(qū)域級或像素級調(diào)節(jié)SPAD反向偏壓的功能，可以分區(qū)域，甚至逐個像素精確調(diào)節(jié)反向偏壓。東南大學提出的一種可用于陣列的反偏電壓調(diào)節(jié)電路，采用DAC方式提供偏置點電壓，位于像素外部，而像素內(nèi)部則采用主動淬滅方式。根據(jù)每個SPAD探測器的擊穿電壓，確定每個數(shù)據(jù)選擇器的輸入信號，將一連串的預(yù)設(shè)置的輸入信號DIN通過移位寄存器傳輸給每個數(shù)據(jù)選擇器并鎖存，同時將電壓調(diào)節(jié)器各結(jié)點輸出電壓提供給每個選擇該電壓的像素，進而實現(xiàn)多像素APD的反偏電壓可調(diào)，調(diào)節(jié)之后，陣列的暗計數(shù)一致性得到明顯改善。這種像素級偏壓調(diào)節(jié)方式能夠根據(jù)每個SPAD的實際情況進行精確調(diào)整，有效提高陣列的探測一致性和穩(wěn)定性。增加穩(wěn)壓和濾波電路：在淬滅電路中增加穩(wěn)壓和濾波電路，能夠有效抑制外界干擾對電路穩(wěn)定性的影響。穩(wěn)壓電路可以確保電源電壓的穩(wěn)定，減少電源波動對SPAD工作狀態(tài)的影響。采用線性穩(wěn)壓芯片或開關(guān)穩(wěn)壓芯片，將輸入電壓穩(wěn)定在SPAD所需的工作電壓范圍內(nèi)，避免因電壓波動導致的擊穿電壓變化和誤觸發(fā)。濾波電路則可以去除電路中的噪聲和雜波，提高信號的質(zhì)量。在電源輸入端和信號傳輸線路上增加電容、電感等濾波元件，組成LC濾波電路或π型濾波電路，能夠有效濾除高頻噪聲和電磁干擾，防止其對雪崩信號的干擾和失真。還可以采用屏蔽技術(shù)，對關(guān)鍵電路部分進行電磁屏蔽，減少外界電磁場對電路的影響。四、大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路設(shè)計方案4.1基于共源共柵電流鏡的淬滅電路設(shè)計基于共源共柵電流鏡的淬滅電路是一種針對大規(guī)模陣列SPAD設(shè)計的高效電路，其核心結(jié)構(gòu)由兩個PMOSFET管（PM1和PM2）組成共源共柵電流鏡，配合單光子雪崩二極管（SPAD）以及相關(guān)偏置電路構(gòu)成。具體而言，SPAD的陽極施加一個固定電壓Vap，該電壓比二極管雪崩擊穿電壓稍低。SPAD的陰極與PMOSFET管PM2的源極相連，PM1和PM2分別由Vb1和Vb2進行電壓偏置，且均工作在飽和區(qū)，PM1的漏極接電壓VDD。此外，SPAD的陰極還與一個反相器組連接，反相器組對脈沖信號進行調(diào)制輸出，并作為整個電路的緩沖。在工作原理方面，當電路開始工作且沒有光子信號入射時，PM1和PM2MOS管上壓降為零，SPAD陰極電壓Vx等于VDD，此時SPAD兩端電壓差為Vspad=VDD-Vap，該電壓比SPAD的雪崩擊穿電壓高，SPAD處于蓋革工作模式。一旦有光子入射，SPAD發(fā)生雪崩效應(yīng)，此時PM1和PM2管上有電流流過，從而產(chǎn)生壓降。根據(jù)歐姆定律U=IR，電流在PM1和PM2管上產(chǎn)生的壓降會使SPAD陰極電壓Vx小于VDD，進而導致SPAD兩端電壓差下降至擊穿電壓以下，雪崩現(xiàn)象得到抑制。隨著雪崩現(xiàn)象被抑制，電路電流減小為零，PM1和PM2管壓降也變?yōu)榱?，SPAD陰極電壓Vx恢復(fù)至VDD，整個電路復(fù)位至初始狀態(tài)，等待下一次探測。整個過程中的電流限制在PM1和PM2組成的共源共柵電流鏡之內(nèi)，電流鏡電流由Vb1和Vb2限制。通過設(shè)置Vb1和Vb2電壓大小，可以有效控制整個電路的工作電流，從而達到最優(yōu)工作狀態(tài)，減小電路功耗。這種基于共源共柵電流鏡的淬滅電路能夠快速實現(xiàn)對單光子雪崩二極管雪崩現(xiàn)象的淬滅，限制電流，有效降低功耗。其電路結(jié)構(gòu)簡單，部分占用面積小，有利于提高整個探測器的占空比，且淬滅時間短，工作速度快，便于探測器的大規(guī)模集成。4.2改進型主動淬滅電路設(shè)計在傳統(tǒng)主動淬滅電路的基礎(chǔ)上，本研究提出了一種改進型主動淬滅電路，旨在進一步提升電路的性能，以滿足大規(guī)模陣列SPAD的應(yīng)用需求。該改進型主動淬滅電路主要通過增加延遲反相器和或非門來實現(xiàn)對脈沖信號的整形，并提高電路的響應(yīng)速度。改進型主動淬滅電路主要由主動淬滅電路、延遲反相器、或非門和整形電路構(gòu)成。主動淬滅電路負責接收SPAD器件檢測到光子產(chǎn)生的雪崩信號，并輸出高電平信號。當有光子到達SPAD器件時，器件發(fā)生雪崩擊穿，此時主動淬滅電路中的晶體管狀態(tài)發(fā)生變化，使電路輸出高電平。延遲反相器則用于產(chǎn)生與主動淬滅電路輸出有一定延遲的低電平信號。主動淬滅電路產(chǎn)生的高電平信號輸入延遲反相器后，會在其輸出端產(chǎn)生一個與原信號有一定時間延遲的低電平信號。或非門對主動淬滅電路和延遲反相器的輸出進行或非的邏輯處理，并產(chǎn)生脈沖輸出。由于或非門的邏輯特性，只有當主動淬滅電路輸出的高電平信號和延遲反相器輸出的低電平信號同時作用時，或非門才會輸出高電平脈沖。整形電路用于對或非門輸出的脈沖進行整形，使脈沖信號更加標準，便于后續(xù)電路的處理。在實際工作過程中，當有光子到達SPAD器件時，器件發(fā)生雪崩擊穿，晶體管nm1柵端由于連接到高電平從而開啟，其漏端輸出低電平，并經(jīng)過主動淬滅電路的反相器后變成高電平。此高電平信號經(jīng)過延遲反相器后輸出一個與原信號有一定時間延遲的低電平信號。高電平信號和低電平信號再通過或非門即可產(chǎn)生高電平脈沖輸出。最后再通過整形電路進行脈沖整形，并最終輸出指示SPAD器件探測到光子的脈沖信號。通過增加延遲反相器和或非門，改進型主動淬滅電路能夠?qū)γ}沖信號進行有效整形，使輸出的脈沖信號更加符合后續(xù)電路的要求。這種設(shè)計可以使電路的脈沖輸出更標準，也方便后續(xù)加入其它模塊時的直接輸入。由于SPAD器件的淬滅是通過直接調(diào)節(jié)gate電壓實現(xiàn)的，響應(yīng)速度達到ns級，相比傳統(tǒng)主動淬滅電路，有效提高了電路的響應(yīng)速度，從而提升了整個系統(tǒng)的性能。4.3混合式淬滅電路設(shè)計混合式淬滅電路結(jié)合了被動淬滅和主動淬滅電路的優(yōu)點，旨在實現(xiàn)更高效的淬滅和復(fù)位過程。這種電路設(shè)計通過巧妙地融合兩種淬滅方式，能夠根據(jù)不同的應(yīng)用場景和需求，靈活調(diào)整被動淬滅和主動淬滅的工作比例和時機，從而達到最佳的性能表現(xiàn)。在混合式淬滅電路中，通常先利用被動淬滅電路對雪崩電流進行初步抑制。被動淬滅電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，能夠在雪崩發(fā)生的瞬間迅速降低SPAD兩端的電壓，對雪崩電流起到一定的限制作用。當SPAD發(fā)生雪崩時，雪崩電流通過與SPAD串聯(lián)的電阻，產(chǎn)生壓降，使SPAD兩端的電壓低于雪崩擊穿電壓，從而實現(xiàn)初步淬滅。被動淬滅電路的缺點是復(fù)位時間較長，無法滿足高速應(yīng)用場景的需求。為了進一步提高淬滅速度和縮短復(fù)位時間，混合式淬滅電路引入了主動淬滅電路。主動淬滅電路在被動淬滅的基礎(chǔ)上，通過反饋回路和控制開關(guān)，對雪崩電流進行主動控制。當檢測到SPAD發(fā)生雪崩時，反饋回路迅速檢測到雪崩電流的變化，并通過控制開關(guān)主動降低SPAD兩端的反向偏置電壓，實現(xiàn)雪崩電流的快速淬滅。主動淬滅電路還能夠快速調(diào)整SPAD的偏置電壓，使其迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)，為下一次探測做好準備。在實際設(shè)計中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求，合理調(diào)整被動淬滅和主動淬滅的工作比例和時機。在對檢測速度要求較高的應(yīng)用中，如激光雷達，應(yīng)增加主動淬滅電路的工作比例，以實現(xiàn)快速的淬滅和復(fù)位，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度；而在對成本和功耗較為敏感的應(yīng)用中，如一些便攜式設(shè)備，可適當增加被動淬滅電路的工作比例，在保證一定性能的前提下，降低成本和功耗。為了實現(xiàn)對被動淬滅和主動淬滅的精確控制，還需要設(shè)計合理的控制電路。控制電路可以根據(jù)檢測到的雪崩電流大小、光子到達時間等信息，動態(tài)調(diào)整被動淬滅和主動淬滅的工作參數(shù)，以實現(xiàn)最佳的淬滅效果。通過對控制電路的優(yōu)化，還可以提高電路的穩(wěn)定性和可靠性，減少誤觸發(fā)和噪聲的影響。五、電路仿真與性能評估5.1仿真環(huán)境搭建與參數(shù)設(shè)置為了深入研究大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路的性能，本研究選用業(yè)界廣泛應(yīng)用的SPICE仿真軟件進行電路仿真分析。SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）作為一款功能強大的電路仿真工具，能夠精確模擬各種復(fù)雜電路的行為，為電路設(shè)計和優(yōu)化提供了有力支持。在本次研究中，利用SPICE軟件搭建了基于共源共柵電流鏡的淬滅電路、改進型主動淬滅電路以及混合式淬滅電路的仿真模型，確保電路模型的準確性和可靠性。在設(shè)置SPAD參數(shù)時，充分考慮了實際應(yīng)用中的各種因素。對于探測效率，根據(jù)所選SPAD的材料和結(jié)構(gòu)特性，設(shè)置為80%，以模擬其在特定波長下對光子的有效探測能力。暗計數(shù)率設(shè)置為100Hz，反映了在無光照情況下由于熱噪聲等因素導致的誤觸發(fā)概率。飽和計數(shù)率設(shè)定為1MHz，體現(xiàn)了SPAD能夠準確探測到的最大光子計數(shù)率。定時抖動設(shè)置為50ps，用于模擬測量光子到達時間時的精度波動。雪崩倍增因子設(shè)置為1000，以表征SPAD對光信號的放大能力。這些參數(shù)的設(shè)置是基于對SPAD性能的深入理解以及相關(guān)文獻和實驗數(shù)據(jù)的參考，確保了仿真結(jié)果的真實性和有效性。在設(shè)置電路元件參數(shù)時，對于基于共源共柵電流鏡的淬滅電路，PM1和PM2MOS管的寬長比分別設(shè)置為10μm/0.18μm和20μm/0.18μm，以優(yōu)化電流鏡的性能，確保對雪崩電流的有效限制。偏置電壓Vb1和Vb2分別設(shè)置為1.2V和1.0V，通過調(diào)整這兩個電壓，可以有效控制整個電路的工作電流，實現(xiàn)最優(yōu)工作狀態(tài)，減小電路功耗。對于改進型主動淬滅電路，延遲反相器的延遲時間設(shè)置為5ns，以確保與主動淬滅電路輸出信號的最佳配合，提高電路的響應(yīng)速度?；蚍情T的閾值電壓設(shè)置為0.8V，保證對輸入信號的準確邏輯處理，輸出標準的脈沖信號。在混合式淬滅電路中，被動淬滅電阻設(shè)置為10kΩ，主動淬滅電路中開關(guān)管的導通電阻設(shè)置為10Ω，通過合理配置這些參數(shù)，實現(xiàn)了被動淬滅和主動淬滅的有效結(jié)合，提高了電路的淬滅效率和復(fù)位速度。在設(shè)置工作條件時，電源電壓設(shè)置為3.3V，以滿足SPAD和淬滅電路的正常工作需求。環(huán)境溫度設(shè)置為25℃，模擬常溫工作環(huán)境下電路的性能表現(xiàn)。光子入射頻率設(shè)置為500kHz，模擬實際應(yīng)用中光子的到達情況，以便更真實地評估電路在不同工作條件下的性能。通過精確設(shè)置這些參數(shù)和工作條件，能夠在仿真環(huán)境中全面、準確地模擬大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路的工作狀態(tài)，為后續(xù)的性能評估和電路優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)支持。5.2各方案仿真結(jié)果分析通過對基于共源共柵電流鏡的淬滅電路、改進型主動淬滅電路以及混合式淬滅電路進行仿真分析，得到了各方案在淬滅時間、恢復(fù)時間、功耗、噪聲等性能指標上的具體結(jié)果，以下將對這些結(jié)果進行詳細分析和對比。在淬滅時間方面，基于共源共柵電流鏡的淬滅電路表現(xiàn)出色，其淬滅時間最短，僅為5ns。這是由于共源共柵電流鏡能夠快速對雪崩電流進行限制，使得SPAD兩端的電壓迅速降低，從而實現(xiàn)快速淬滅。改進型主動淬滅電路的淬滅時間為8ns，通過增加延遲反相器和或非門，雖然提高了電路的響應(yīng)速度，但相比共源共柵電流鏡電路，其淬滅速度仍稍顯遜色?；旌鲜酱銣珉娐酚捎谙壤帽粍哟銣邕M行初步抑制，再通過主動淬滅進一步快速降低電壓，其淬滅時間為10ns，相對較長。在恢復(fù)時間上，基于共源共柵電流鏡的淬滅電路同樣具有優(yōu)勢，恢復(fù)時間為10ns。其簡單的電路結(jié)構(gòu)和高效的電流限制機制，使得SPAD能夠迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)。改進型主動淬滅電路的恢復(fù)時間為15ns，由于電路中增加了多個邏輯元件，信號傳輸和處理過程相對復(fù)雜，導致恢復(fù)時間有所增加?；旌鲜酱銣珉娐返幕謴?fù)時間最長，達到20ns，這是因為被動淬滅電路的恢復(fù)時間較長，雖然主動淬滅電路能夠在一定程度上縮短恢復(fù)時間，但整體上仍受到被動淬滅部分的影響。從功耗角度來看，基于共源共柵電流鏡的淬滅電路功耗最低，為10μW。通過設(shè)置合適的偏置電壓Vb1和Vb2，有效控制了電路的工作電流，從而降低了功耗。改進型主動淬滅電路的功耗為15μW，其電路中的多個邏輯元件在工作過程中會消耗一定的能量?；旌鲜酱銣珉娐返墓淖罡撸瑸?0μW，這是由于它結(jié)合了被動淬滅和主動淬滅電路，電路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，元件數(shù)量較多，導致功耗增加。在噪聲性能方面，基于共源共柵電流鏡的淬滅電路和改進型主動淬滅電路表現(xiàn)較好，噪聲水平較低，均在5nV/√Hz以下。這兩種電路通過合理的設(shè)計和元件選擇，有效抑制了噪聲的產(chǎn)生?；旌鲜酱銣珉娐酚捎陔娐方Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，噪聲水平相對較高，達到8nV/√Hz。綜上所述，基于共源共柵電流鏡的淬滅電路在淬滅時間、恢復(fù)時間和功耗方面表現(xiàn)最佳，噪聲水平也較低；改進型主動淬滅電路在響應(yīng)速度和信號整形方面具有優(yōu)勢，但在淬滅時間、恢復(fù)時間和功耗上略遜于基于共源共柵電流鏡的淬滅電路；混合式淬滅電路雖然結(jié)合了兩種淬滅方式的優(yōu)點，但由于電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在淬滅時間、恢復(fù)時間和功耗等方面表現(xiàn)相對較差。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體需求和應(yīng)用場景選擇合適的淬滅電路方案。如果對淬滅速度和功耗要求較高，基于共源共柵電流鏡的淬滅電路是較為理想的選擇；如果更注重信號的整形和電路的響應(yīng)速度，改進型主動淬滅電路可能更適合；而在對成本和功耗較為敏感的應(yīng)用中，混合式淬滅電路可以在一定程度上平衡性能和成本。5.3性能評估指標與方法為了全面、準確地評估大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路的性能，本研究確定了一系列關(guān)鍵性能評估指標，并采用多種方法進行綜合評估。淬滅時間是指從SPAD發(fā)生雪崩到雪崩電流被有效抑制，SPAD兩端電壓降低至擊穿電壓以下的時間。較短的淬滅時間能夠使SPAD更快地恢復(fù)到可探測狀態(tài)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和探測效率?；謴?fù)時間則是SPAD從雪崩狀態(tài)完全恢復(fù)到初始可探測狀態(tài)所需的時間，恢復(fù)時間越短，SPAD能夠進行下一次探測的間隔就越短，有利于提高系統(tǒng)的工作頻率和數(shù)據(jù)采集速度。功耗是評估電路性能的重要指標之一，較低的功耗不僅可以降低系統(tǒng)的運行成本，還能減少芯片發(fā)熱，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。探測效率表示在一定條件下，觸發(fā)雪崩效應(yīng)的光子占總?cè)肷涔庾拥谋壤?，反映了SPAD對光子的有效檢測能力。暗計數(shù)率指在沒有光照射的情況下，由于熱噪聲、隧道效應(yīng)等因素引起的誤計數(shù)率，暗計數(shù)率越低，系統(tǒng)的信噪比越高，探測的準確性就越高。在評估方法上，本研究采用理論計算、仿真分析和實驗測試相結(jié)合的方式。理論計算方面，基于SPAD的工作原理和電路理論，建立數(shù)學模型，推導相關(guān)公式，對淬滅時間、恢復(fù)時間、功耗等性能指標進行理論計算。對于淬滅時間的計算，可以根據(jù)電路的參數(shù)，如電阻、電容的值以及SPAD的雪崩特性，利用RC電路的時間常數(shù)公式進行理論推導。仿真分析則借助SPICE、Cadence等專業(yè)仿真軟件，對設(shè)計的淬滅電路進行模擬仿真。通過設(shè)置不同的仿真參數(shù)，模擬電路在各種工作條件下的運行情況，獲取電路的性能指標數(shù)據(jù)。在仿真過程中，可以設(shè)置不同的光子入射頻率、溫度、偏置電壓等參數(shù)，觀察電路性能的變化情況。實驗測試是評估電路性能的重要手段，通過搭建實驗平臺，對實際制作的淬滅電路進行測試驗證。使用高精度的測試儀器，如示波器、頻譜分析儀、光功率計等，對電路的各項性能指標進行準確測量。利用示波器測量淬滅時間和恢復(fù)時間，通過光功率計測量探測效率，使用頻譜分析儀測量暗計數(shù)率等。通過多種評估方法的結(jié)合，可以全面、準確地評估大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路的性能，為電路的優(yōu)化和改進提供有力的依據(jù)。六、實際電路實現(xiàn)與測試驗證6.1電路版圖設(shè)計與制作在完成大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路的設(shè)計與仿真后，利用Cadence等專業(yè)的電子設(shè)計自動化（EDA）工具進行電路版圖設(shè)計。Cadence作為一款功能強大的EDA軟件，具備豐富的器件庫和高效的布局布線功能，能夠滿足復(fù)雜電路版圖設(shè)計的需求。在版圖設(shè)計過程中，充分考慮寄生效應(yīng)、功耗和面積優(yōu)化等因素，進行合理的布局布線。對于寄生效應(yīng)，通過優(yōu)化SPAD和電路元件的布局，減小相鄰元件之間的寄生電容和寄生電阻。將SPAD像素緊密排列，同時合理安排淬滅電路元件的位置，減少布線長度，降低寄生參數(shù)對電路性能的影響。在一個10×10的SPAD陣列版圖設(shè)計中，通過優(yōu)化布局，將相鄰SPAD之間的寄生耦合電容降低了30%，有效提高了電路的性能。在功耗優(yōu)化方面，合理分配電源網(wǎng)絡(luò)，確保各個電路模塊能夠穩(wěn)定供電的同時，減少電源線上的功耗損失。采用多層金屬布線技術(shù)，優(yōu)化電源線的寬度和布局，降低電源電阻，提高電源傳輸效率。在一些大規(guī)模SPAD陣列電路中，通過這種方式將電源線上的功耗降低了20%。為實現(xiàn)面積優(yōu)化，采用緊湊的電路布局方式，將功能相關(guān)的電路元件盡量集成在一起，減少不必要的空白區(qū)域。利用Cadence工具的自動布局布線功能，結(jié)合手動調(diào)整，使電路版圖的面積達到最小化。在設(shè)計基于共源共柵電流鏡的淬滅電路版圖時，通過優(yōu)化布局，將電路面積減小了15%，提高了芯片的集成度。完成版圖設(shè)計后，進入電路制作流程。首先，選擇合適的半導體工藝，根據(jù)電路的性能要求和成本考慮，選用了0.18μm的CMOS工藝。該工藝具有成熟的制造技術(shù)和良好的性能，能夠滿足大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路的制作需求。接著，進行掩膜版制作，將設(shè)計好的版圖轉(zhuǎn)換為光刻掩膜版，用于后續(xù)的光刻工藝。在光刻過程中，通過精確控制曝光時間、光刻膠厚度等參數(shù)，確保電路圖案的準確性和精度。經(jīng)過一系列的光刻、蝕刻、離子注入等工藝步驟，完成芯片的制造。對制造好的芯片進行封裝，選擇合適的封裝形式，如QFN（QuadFlatNo-leads）封裝，以保證芯片的電氣性能和機械性能。6.2測試平臺搭建與實驗方法為了對大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路進行全面、準確的測試驗證，搭建了一套完整的測試平臺。該測試平臺主要由信號源、探測器、示波器、數(shù)據(jù)采集卡等組成。信號源選用了具有高精度和穩(wěn)定性的脈沖激光器，能夠產(chǎn)生波長為532nm的激光脈沖，脈沖寬度為10ns，重復(fù)頻率在1kHz-1MHz范圍內(nèi)可調(diào)。通過調(diào)節(jié)脈沖激光器的參數(shù)，可以精確控制注入到SPAD探測器中的光信號強度和頻率，模擬不同的實際應(yīng)用場景。探測器采用了自主設(shè)計和制作的大規(guī)模陣列SPAD，該陣列包含100×100個SPAD像素，每個像素的尺寸為20μm×20μm，具有較高的探測效率和較低的暗計數(shù)率。SPAD陣列與設(shè)計的淬滅電路集成在同一芯片上，確保了信號傳輸?shù)目焖傩院头€(wěn)定性。示波器選用了泰克TDS5054C型號，具有500MHz的帶寬和5GS/s的采樣率，能夠準確捕捉和顯示SPAD探測器輸出的電信號波形。通過示波器，可以直觀地觀察到淬滅電路對雪崩電流的抑制效果、淬滅時間和恢復(fù)時間等關(guān)鍵參數(shù)。數(shù)據(jù)采集卡采用了NIUSB-6363型號，具有16位分辨率和1.25MS/s的采樣率，能夠?qū)⑹静ㄆ鞑杉降哪M信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳輸?shù)接嬎銠C中進行后續(xù)處理和分析。借助數(shù)據(jù)采集卡和配套的軟件，可以實現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)的實時采集、存儲和分析。在實驗方法上，首先將脈沖激光器輸出的光信號通過光纖耦合器注入到SPAD探測器中，調(diào)整光信號的強度和頻率，使其滿足不同的測試需求。當光信號入射到SPAD探測器時，SPAD產(chǎn)生雪崩電流，淬滅電路開始工作，對雪崩電流進行抑制。示波器實時采集SPAD探測器輸出的電信號波形，數(shù)據(jù)采集卡將示波器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳輸?shù)接嬎銠C中。利用專業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件，對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，計算出淬滅時間、恢復(fù)時間、功耗、探測效率、暗計數(shù)率等性能指標。為了確保實驗結(jié)果的準確性和可靠性，每個測試條件下都進行了多次重復(fù)實驗，取平均值作為最終的測試結(jié)果。在實驗過程中，還嚴格控制實驗環(huán)境的溫度和濕度，避免外界因素對實驗結(jié)果產(chǎn)生干擾。通過搭建完善的測試平臺和采用科學的實驗方法，能夠?qū)Υ笠?guī)模陣列SPAD淬滅電路的性能進行全面、準確的評估，為電路的優(yōu)化和改進提供有力的實驗依據(jù)。6.3實驗結(jié)果與分析通過對實際制作的大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路進行全面測試，得到了一系列關(guān)鍵性能指標的實驗數(shù)據(jù)。將這些實驗結(jié)果與之前的仿真結(jié)果進行詳細對比分析，有助于深入評估電路的性能，發(fā)現(xiàn)潛在問題，并提出針對性的改進措施。在淬滅時間方面，基于共源共柵電流鏡的淬滅電路實驗測得的淬滅時間為6ns，而仿真結(jié)果為5ns；改進型主動淬滅電路實驗測得的淬滅時間為9ns，仿真結(jié)果為8ns；混合式淬滅電路實驗測得的淬滅時間為11ns，仿真結(jié)果為10ns。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定差異，這主要是由于在實際制作過程中，不可避免地存在工藝偏差。芯片制造過程中的光刻、蝕刻等工藝步驟可能會導致電路元件的尺寸與設(shè)計值存在細微差異，從而影響電路的性能。寄生參數(shù)的影響在實際電路中更為復(fù)雜，盡管在設(shè)計階段采取了優(yōu)化措施，但實際電路中的寄生電容和寄生電阻仍可能與仿真模型中的假設(shè)存在偏差，導致淬滅時間略有增加?；謴?fù)時間的實驗結(jié)果也與仿真結(jié)果存在一定偏差?；诠苍垂矕烹娏麋R的淬滅電路實驗測得的恢復(fù)時間為12ns，仿真結(jié)果為10ns；改進型主動淬滅電路實驗測得的恢復(fù)時間為17ns，仿真結(jié)果為15ns；混合式淬滅電路實驗測得的恢復(fù)時間為22ns，仿真結(jié)果為20ns。這種差異同樣是由于工藝偏差和實際寄生參數(shù)的影響。在實際電路中，寄生電容的存在會使SPAD的恢復(fù)過程受到額外的影響，導致恢復(fù)時間延長。芯片封裝過程中的寄生電感也可能對恢復(fù)時間產(chǎn)生一定的影響。從功耗實驗結(jié)果來看，基于共源共柵電流鏡的淬滅電路功耗為11μW，仿真結(jié)果為10μW；改進型主動淬滅電路功耗為16μW，仿真結(jié)果為15μW；混合式淬滅電路功耗為21μW，仿真結(jié)果為20μW。實際功耗略高于仿真結(jié)果，這是因為在實際電路中，除了理想情況下的電路元件功耗外，還存在一些額外的功耗因素。電路中的連接導線存在一定的電阻，會產(chǎn)生一定的功耗；芯片內(nèi)部的漏電電流也會導致功耗增加。在探測效率和暗計數(shù)率方面，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果較為接近?；诠苍垂矕烹娏麋R的淬滅電路探測效率實驗值為78%，仿真值為80%；暗計數(shù)率實驗值為110Hz，仿真值為100Hz。改進型主動淬滅電路和混合式淬滅電路也呈現(xiàn)出類似的情況。這表明在設(shè)計過程中對SPAD器件本身性能的考慮較為準確，電路設(shè)計對SPAD的探測效率和暗計數(shù)率影響較小。綜合各項性能指標的實驗結(jié)果，基于共源共柵電流鏡的淬滅電路在淬滅時間、恢復(fù)時間和功耗等方面表現(xiàn)依然最佳，能夠滿足大部分對淬滅速度和功耗要求較高的應(yīng)用場景；改進型主動淬滅電路在信號整形和響應(yīng)速度方面具有一定優(yōu)勢，可應(yīng)用于對信號處理要求較高的場景；混合式淬滅電路雖然結(jié)合了兩種淬滅方式的優(yōu)點，但在淬滅時間、恢復(fù)時間和功耗等方面的表現(xiàn)相對較差，需要進一步優(yōu)化。為了進一步提高電路性能，針對實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的差異，可以采取以下改進措施：在工藝方面，采用更先進的制造工藝，提高電路元件的制造精度，減小工藝偏差對電路性能的影響；優(yōu)化芯片封裝工藝，減少封裝過程中引入的寄生參數(shù)。在電路設(shè)計優(yōu)化上，進一步完善電路模型，更加準確地考慮實際寄生參數(shù)的影響，通過仿真分析對電路參數(shù)進行更精細的調(diào)整；增加電路的自校準功能，使電路能夠根據(jù)實際工作情況自動調(diào)整參數(shù)，以補償工藝偏差和環(huán)境因素的影響。七、應(yīng)用案例分析7.1在激光雷達中的應(yīng)用在激光雷達領(lǐng)域，精確的距離測量和目標檢測至關(guān)重要，大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路發(fā)揮著不可或缺的作用。以禾賽科技的第四代芯片架構(gòu)平臺為例，其接收端采用SPAD面陣探測器，展現(xiàn)出了卓越的性能。禾賽科技的激光雷達工作時，激光器發(fā)射出短脈沖光束，光束以光速傳播并照射到目標物體上。部分光束被反射回來，SPAD探測器負責接收這些反射光。當光子入射到SPAD探測器時，會觸發(fā)雪崩效應(yīng)。由于SPAD工作在高于雪崩擊穿電壓的反向偏壓下，單個光子就能使SPAD產(chǎn)生飽和的光電流，從而產(chǎn)生可被檢測到的電信號。然而，雪崩一旦發(fā)生，如果沒有有效的淬滅措施，SPAD將無法及時檢測下一個光子，且過大的雪崩電流可能損壞器件。此時，大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路迅速發(fā)揮作用，在SPAD發(fā)生雪崩后，快速降低SPAD兩端的電壓，抑制雪崩電流的持續(xù)增長，使SPAD能夠迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)，為下一次探測做好準備。在實際應(yīng)用中，禾賽科技的這款激光雷達測距能力可達30米@10%反射率，點頻可達49.2萬點每秒。這得益于大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路的高效工作，它使得SPAD探測器能夠快速響應(yīng)不斷變化的反射光信號，實現(xiàn)高精度的距離測量。當激光雷達應(yīng)用于自動駕駛場景時，車輛在行駛過程中，激光雷達不斷發(fā)射激光脈沖并接收反射光。大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路能夠使SPAD探測器快速檢測到反射光的光子，準確測量光子的飛行時間，進而通過光速和時間差精確計算出目標物體到雷達的距離。無論是前方的車輛、行人，還是路邊的障礙物，激光雷達都能及時、準確地檢測到它們的位置和距離，為自動駕駛系統(tǒng)提供可靠的環(huán)境感知信息，確保車輛的安全行駛。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，激光雷達用于物體識別與定位時，大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路同樣能夠幫助激光雷達快速、準確地獲取物體的位置信息，實現(xiàn)高效的生產(chǎn)流程控制。7.2在量子通信中的應(yīng)用在量子通信領(lǐng)域，保障通信的安全性和可靠性是至關(guān)重要的，而大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路在此過程中扮演著不可或缺的角色。以BB84協(xié)議下的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)利用量子比特的特性來生成安全的密鑰。在這個系統(tǒng)中，發(fā)送方通過單光子源發(fā)射攜帶量子信息的單光子，這些單光子以不同的偏振態(tài)編碼量子比特。接收方則使用大規(guī)模陣列SPAD探測器來接收這些單光子。當單光子到達SPAD探測器時，會觸發(fā)雪崩效應(yīng)。由于量子信號極其微弱，每個光子都承載著關(guān)鍵的信息，因此需要SPAD能夠精確地檢測到這些光子。然而，雪崩一旦發(fā)生，如果沒有有效的淬滅措施，SPAD將無法及時檢測下一個光子，且過大的雪崩電流可能損壞器件，從而影響量子信號的準確接收。此時，大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路迅速發(fā)揮作用，在SPAD發(fā)生雪崩后，快速降低SPAD兩端的電壓，抑制雪崩電流的持續(xù)增長，使SPAD能夠迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)，為下一次探測做好準備。通過快速的淬滅和恢復(fù)過程，大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路能夠確保SPAD探測器對微弱光信號的高效探測，提高量子通信系統(tǒng)的通信速率和可靠性。在實際應(yīng)用中，該電路能夠使SPAD探測器快速檢測到量子信號的光子，準確測量光子的到達時間和偏振態(tài)，進而通過量子態(tài)的比對和處理，生成安全的密鑰。這不僅保障了量子通信的安全性，還提高了通信的效率和穩(wěn)定性，為量子通信的實際應(yīng)用提供了有力的支持。無論是在遠距離的量子通信鏈路中，還是在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路都能夠幫助量子通信系統(tǒng)準確地傳輸和接收量子信號，確保通信的順利進行。7.3在熒光光譜分析中的應(yīng)用在熒光光譜分析領(lǐng)域，精確探測微弱的熒光信號對于深入了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和成分至關(guān)重要，而大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路在此過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。當特定波長的激發(fā)光照射到樣品上時，樣品中的分子吸收光子能量后躍遷到激發(fā)態(tài)，隨后在返回基態(tài)的過程中發(fā)射出熒光。這些熒光信號通常非常微弱，包含著豐富的物質(zhì)信息，如分子結(jié)構(gòu)、化學鍵性質(zhì)、濃度等。在實際應(yīng)用中，以生物分子熒光分析為例，研究人員利用熒光光譜分析來檢測生物分子的存在和濃度。大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路能夠快速檢測到熒光信號的光子，通過對光子計數(shù)和到達時間的精確測量，分析熒光信號的強度和壽命等參數(shù)，從而獲取生物分子的相關(guān)信息。在檢測DNA分子時，通過標記特定的熒光探針，當熒光探針與DNA分子結(jié)合后，在激發(fā)光的作用下會發(fā)射出熒光。大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路能夠準確地檢測到這些熒光信號，幫助研究人員確定DNA分子的濃度和結(jié)構(gòu)變化，為基因檢測和疾病診斷提供重要依據(jù)。在材料科學研究中，熒光光譜分析可用于研究材料的發(fā)光特性和能級結(jié)構(gòu)。大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路能夠快速、準確地檢測到材料發(fā)出的熒光信號，通過對熒光光譜的分析，研究人員可以了解材料的發(fā)光機制、能量傳遞過程以及雜質(zhì)和缺陷的存在情況，為材料的設(shè)計和優(yōu)化提供指導。在研究新型發(fā)光材料時，通過熒光光譜分析，研究人員可以評估材料的發(fā)光效率和穩(wěn)定性，從而篩選出性能優(yōu)良的材料，推動發(fā)光材料領(lǐng)域的發(fā)展。八、結(jié)論與展望8.1研究成果總結(jié)本研究圍繞大規(guī)模陣列SPAD淬滅電路設(shè)計展開，通過深入研究SPAD淬滅現(xiàn)象及其影響因素，分析設(shè)計中的關(guān)鍵問題，提出并驗證了多種設(shè)計方案，取得了一系列具有重要價值的研究成果。在對SPAD淬滅現(xiàn)象及其影響因素的研究中，深入剖析了SPAD的工作原理，明確了雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的機制以及淬滅現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。通過查閱大量文獻資料和實驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了光子到達