كاشف ضوئي انهياري أحادي الفوتون SPAD

سبادكاشف ضوئي انهياري أحادي الفوتون

عندما طُرحت مستشعرات الكشف الضوئي SPAD لأول مرة، كانت تُستخدم بشكل أساسي في سيناريوهات الكشف في ظروف الإضاءة المنخفضة. ومع ذلك، مع تطور أدائها وتطور متطلبات المشهد،كاشف ضوئي SPADتُستخدم أجهزة الاستشعار بشكل متزايد في تطبيقات استهلاكية مثل رادارات السيارات والروبوتات والطائرات المسيّرة. وبفضل حساسيته العالية وخصائصه منخفضة الضوضاء، أصبح مستشعر كاشف الضوء SPAD خيارًا مثاليًا لتحقيق دقة عالية في استشعار العمق والتصوير في ظروف الإضاءة المنخفضة.

بخلاف مستشعرات الصور التقليدية بتقنية CMOS (CIS) القائمة على وصلات PN، فإن البنية الأساسية لكاشف الضوء SPAD هي ثنائي انهياري يعمل في وضع جايجر. من منظور الآليات الفيزيائية، يُعدّ كاشف الضوء SPAD أكثر تعقيدًا بكثير من أجهزة وصلات PN. ويتجلى ذلك بشكل رئيسي في أنه تحت تأثير انحياز عكسي عالٍ، يكون أكثر عرضة للتسبب في مشاكل مثل حقن حاملات غير متوازنة، وتأثيرات الإلكترونات الحرارية، وتيارات النفق الناتجة عن حالات العيوب. هذه الخصائص تجعله يواجه تحديات جسيمة على مستويات التصميم والتصنيع وبنية الدائرة.

معايير الأداء الشائعة لـكاشف ضوئي للانهيارات الثلجية من نوع SPADتشمل هذه المعايير حجم البكسل، وضوضاء العد المظلم، واحتمالية كشف الضوء، ووقت التوقف، ووقت الاستجابة. تؤثر هذه المعايير بشكل مباشر على أداء كاشف الفوتونات الانهياري SPAD. على سبيل المثال، يُعد معدل العد المظلم معيارًا أساسيًا لتحديد ضوضاء الكاشف، ويحتاج SPAD إلى الحفاظ على انحياز أعلى من جهد الانهيار ليعمل ككاشف للفوتونات المفردة. تحدد احتمالية كشف الضوء حساسية SPAD.كاشف ضوئي للانهيارات الثلجيةويتأثر ذلك بشدة المجال الكهربائي وتوزيعه. بالإضافة إلى ذلك، فإن زمن التوقف هو الوقت اللازم لعودة كاشف الفوتونات أحادي الفوتون (SPAD) إلى حالته الأولية بعد تشغيله، مما يؤثر على الحد الأقصى لمعدل الكشف عن الفوتونات والنطاق الديناميكي.

في تحسين أداء أجهزة SPAD، تُعدّ العلاقة التقييدية بين معايير الأداء الأساسية تحديًا رئيسيًا: فعلى سبيل المثال، يؤدي تصغير حجم البكسل مباشرةً إلى توهين PDE، كما أن تركيز المجالات الكهربائية على الحواف الناتج عن تصغير الحجم يتسبب في زيادة حادة في معدل العد المظلم (DCR). ويؤدي تقليل زمن التوقف إلى ظهور ضوضاء ما بعد النبضة وتدهور دقة تذبذب الوقت. وقد حقق الحل المتطور درجة معينة من التحسين التعاوني من خلال أساليب مثل DTI/حلقة الحماية (لكبح التشويش المتبادل وتقليل معدل العد المظلم)، والتحسين البصري للبكسل، واستخدام مواد جديدة (طبقة انهيار SiGe لتعزيز الاستجابة للأشعة تحت الحمراء)، ودوائر التخميد النشطة ثلاثية الأبعاد المكدسة.