SPAD સિંગલ-ફોટોન હિમપ્રપાત ફોટોડિટેક્ટર

એસપીએડીસિંગલ-ફોટોન હિમપ્રપાત ફોટોડિટેક્ટર

જ્યારે SPAD ફોટોડિટેક્ટર સેન્સર પહેલીવાર રજૂ કરવામાં આવ્યા હતા, ત્યારે તેનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે ઓછા પ્રકાશવાળા શોધ દૃશ્યોમાં થતો હતો. જો કે, તેમના પ્રદર્શનના ઉત્ક્રાંતિ અને દ્રશ્ય આવશ્યકતાઓના વિકાસ સાથે,SPAD ફોટોડિટેક્ટરઓટોમોટિવ રડાર, રોબોટ્સ અને માનવરહિત હવાઈ વાહનો જેવા ગ્રાહક દૃશ્યોમાં સેન્સરનો ઉપયોગ વધુને વધુ થઈ રહ્યો છે. તેની ઉચ્ચ સંવેદનશીલતા અને ઓછા અવાજની લાક્ષણિકતાઓને કારણે, SPAD ફોટોડિટેક્ટર સેન્સર ઉચ્ચ-ચોકસાઇ ઊંડાઈ દ્રષ્ટિ અને ઓછા પ્રકાશમાં ઇમેજિંગ પ્રાપ્ત કરવા માટે એક આદર્શ વિકલ્પ બની ગયું છે.

PN જંકશન પર આધારિત પરંપરાગત CMOS ઇમેજ સેન્સર (CIS) થી વિપરીત, SPAD ફોટોડિટેક્ટરનું મુખ્ય માળખું ગીગર મોડમાં કાર્યરત હિમપ્રપાત ડાયોડ છે. ભૌતિક મિકેનિઝમ્સના દ્રષ્ટિકોણથી, SPAD ફોટોડિટેક્ટરની જટિલતા PN જંકશન ઉપકરણો કરતા નોંધપાત્ર રીતે વધારે છે. આ મુખ્યત્વે એ હકીકતમાં પ્રતિબિંબિત થાય છે કે ઉચ્ચ રિવર્સ બાયસ હેઠળ, તે અસંતુલિત વાહકોના ઇન્જેક્શન, થર્મલ ઇલેક્ટ્રોન અસરો અને ખામીયુક્ત સ્થિતિઓ દ્વારા સહાયિત ટનલિંગ કરંટ જેવી સમસ્યાઓનું કારણ બને છે. આ લાક્ષણિકતાઓ તેને ડિઝાઇન, પ્રક્રિયા અને સર્કિટ આર્કિટેક્ચર સ્તરે ગંભીર પડકારોનો સામનો કરે છે.

સામાન્ય કામગીરી પરિમાણોSPAD હિમપ્રપાત ફોટોડિટેક્ટરપિક્સેલ સાઇઝ (પિક્સેલ સાઇઝ), ડાર્ક કાઉન્ટ નોઇઝ (DCR), લાઇટ ડિટેક્શન પ્રોબેબિલિટી (PDE), ડેડ ટાઇમ (ડેડટાઇમ) અને રિસ્પોન્સ ટાઇમ (રિસ્પોન્સ ટાઇમ) નો સમાવેશ થાય છે. આ પરિમાણો SPAD હિમપ્રપાત ફોટોડિટેક્ટરના પ્રદર્શનને સીધી અસર કરે છે. ઉદાહરણ તરીકે, ડાર્ક કાઉન્ટ રેટ (DCR) એ ડિટેક્ટર નોઇઝને વ્યાખ્યાયિત કરવા માટે એક મુખ્ય પરિમાણ છે, અને સિંગલ-ફોટોન ડિટેક્ટર તરીકે કાર્ય કરવા માટે SPAD ને બ્રેકડાઉન કરતા વધારે બાયસ જાળવવાની જરૂર છે. લાઇટ ડિટેક્શન (PDE) ની સંભાવના SPAD ની સંવેદનશીલતા નક્કી કરે છે.હિમપ્રપાત ફોટોડિટેક્ટરઅને તે ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડની તીવ્રતા અને વિતરણથી પ્રભાવિત થાય છે. વધુમાં, ડેડટાઇમ એ SPAD ને ટ્રિગર થયા પછી તેની પ્રારંભિક સ્થિતિમાં પાછા ફરવા માટે જરૂરી સમય છે, જે મહત્તમ ફોટોન શોધ દર અને ગતિશીલ શ્રેણીને અસર કરે છે.

SPAD ઉપકરણોના પ્રદર્શન ઑપ્ટિમાઇઝેશનમાં, મુખ્ય પ્રદર્શન પરિમાણો વચ્ચે અવરોધ સંબંધ એક મુખ્ય પડકાર છે: ઉદાહરણ તરીકે, પિક્સેલ લઘુચિત્રીકરણ સીધા PDE એટેન્યુએશન તરફ દોરી જાય છે, અને કદ લઘુચિત્રીકરણને કારણે ધાર ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્રોની સાંદ્રતા પણ DCR માં તીવ્ર વધારો કરશે. ડેડ ટાઇમ ઘટાડવાથી પોસ્ટ-ઇમ્પલ્સ અવાજ પ્રેરિત થશે અને સમયના જીટરની ચોકસાઈ બગડશે. હવે, અત્યાધુનિક સોલ્યુશને DTI/પ્રોટેક્શન લૂપ (ક્રોસટોકને દબાવવું અને DCR ઘટાડવું), પિક્સેલ ઓપ્ટિકલ ઑપ્ટિમાઇઝેશન, નવી સામગ્રીનો પરિચય (SiGe હિમપ્રપાત સ્તર ઇન્ફ્રારેડ પ્રતિભાવ વધારતું), અને ત્રિ-પરિમાણીય સ્ટેક્ડ સક્રિય ક્વેન્ચિંગ સર્કિટ જેવી પદ્ધતિઓ દ્વારા ચોક્કસ ડિગ્રી સહયોગી ઑપ્ટિમાઇઝેશન પ્રાપ્ત કર્યું છે.