專利名稱：一種單光子雪崩二極管探測器的電路仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單光子雪崩二極管探測器的一種電路仿真方法，該方法使用一種電路模型精確模擬了探測器對單個光子的探測行為，包括直流特性和交流特性。模型使用模擬硬件描述語言VerilOg-A實(shí)現(xiàn)，具有很好的通用性，可在通用的電路仿真器上與其他電子電路一起完成器件和電路的混合仿真。
背景技術(shù)：
單光子雪崩二極管(Single Photo Avalanche Diode,以下簡稱SPAD)是一種工作于蓋革模式下的雪崩光電二極管。在蓋革模式下，SPAD的外加工作電壓高于雪崩電壓閾值，當(dāng)SPAD吸收光子后立即釋放出電子-空穴對，電子和空穴在耗盡區(qū)的內(nèi)建電場作用下加速，迅速獲得足夠的能量，從而與晶格發(fā)生碰撞并產(chǎn)生新的電子空穴對，這個過程形成一種連鎖反應(yīng)，最終產(chǎn)生類似雪崩倍增的現(xiàn)象，即由光吸收產(chǎn)生的一對電子空穴對可以形成大量的電子-空穴對而構(gòu)成較大的二次光電流。SPAD具有非常高的內(nèi)部增益，單個光子入射即可能引起類似雪崩的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對單光子的探測。因此，SPAD作為一種新型技術(shù)，由于能夠?qū)崿F(xiàn)對極微弱光信號的探測而倍受人們的關(guān)注。SPAD產(chǎn)生雪崩脈沖信號以后需要一個淬滅和復(fù)位電路迅速將雪崩現(xiàn)象淬滅同時將SPAD的偏置電壓復(fù)位到雪崩電壓以上，以便下一次的探測。為了能使SPAD與后續(xù)的淬滅和復(fù)位電路進(jìn)行混合仿真，提高電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，需要為SPAD提供一個非常精確的電路仿真模型來模擬其各種行為。但是工藝線上并沒有提供成熟的電路模型可直接調(diào)用，所以設(shè)計(jì)人員往往在涉及到相關(guān)的芯片設(shè)計(jì)時都使用一個等效電路進(jìn)行替代。早期的模型只考慮了器件在雪崩時的直流特性，仿真精度較低，后來Zappa等人進(jìn)一步考慮了器件的交流特性，提出了一個具有較高精度的SPICE模型，但該模型電路的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中很多元件參數(shù)都不容易確定，實(shí)際操作起來收斂性不好。因此，為單光子雪崩二極管提取一個結(jié)構(gòu)簡單、精確度高、能夠直接在仿真器上使用的通用仿真模型是成功設(shè)計(jì)出單光子探測系統(tǒng)的前提。對于該模型的要求是:能準(zhǔn)確模擬出SPAD器件的各種行為，尤其是SPAD的直流、交流特性，以及溫度效應(yīng)等影響。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提供一種單光子雪崩二極管探測器的電路仿真方法，首先為SPAD建立了一個完整的電路仿真模型，精確的描述了其直流、交流特性以及溫度效應(yīng)，模擬SPAD對單個光子的探測行為。然后該模型用硬件描述語言Verilog-A實(shí)現(xiàn)，在通用仿真器如Cadence上進(jìn)行SPAD的電路仿真。技術(shù)方案:本發(fā)明的單光子雪崩二極管(SPAD)探測器的電路仿真模型，其電路結(jié)構(gòu)由直流網(wǎng)絡(luò)SRV與交流網(wǎng)絡(luò)KAS并聯(lián)構(gòu)成。直流網(wǎng)絡(luò)SRV由三條支路并聯(lián)得到，每條支路都由一個開關(guān)S、一個電阻R和一個直流電壓源V串聯(lián)而成；交流網(wǎng)絡(luò)KAS由三個電容Cka、Cks和Cas混聯(lián)得到。
所述的直流網(wǎng)絡(luò)SRV由器件陰極端口 K與陽極端口 A之間的三條支路并聯(lián)而成。支路I由開關(guān)SFW、電阻Rfw和電壓源Vfw串聯(lián)，其中Vfw的正極與端口 A直接相連；支路2由開關(guān)SM、電阻Ram和電壓源Vam串聯(lián)，其中Vam的負(fù)極與端口 A直接相連；支路3由開關(guān)SeM、電阻Rta和電壓源VeM串聯(lián)，其中Vta的負(fù)極與端口 A直接相連。所以，直流網(wǎng)絡(luò)SRV的電流值ISp￡ld由二條支路的電流值貢獻(xiàn)得到，其計(jì)算方法是:
權(quán)利要求
1.一種單光子雪崩二極管探測器的電路仿真方法，其特征是:電路仿真模型結(jié)構(gòu)由直流通路SRV和交流網(wǎng)絡(luò)KAS并聯(lián)組成；直流網(wǎng)絡(luò)SRV由三條支路并聯(lián)得到，每條支路都由一個開關(guān)S、一個電阻R和一個直流電壓源V串聯(lián)而成；交流網(wǎng)絡(luò)KAS由三個電容即第一電容Cka、第二電容Cks和第三電容Cas混聯(lián)得到；支路I由第一開關(guān)SFW、電阻Rfw和電壓源Vfw串聯(lián)，其中電壓源Vfw的正極與端口 A直接相連；支路2由第二開關(guān)SAM、電阻Ram和電壓源Vam串聯(lián)，其中電壓源Vam的負(fù)極與端口 A直接相連；支路3由第三開關(guān)SeM、電阻Rta和電壓源Vgm串聯(lián)，其中Vta的負(fù)極與端口 A直接相連；所述的交流網(wǎng)絡(luò)KAS由器件陰極端口 K與陽極端口 A之間的第一電容Cka、第二電容Cks和第三電容Cas混聯(lián)而成；第一電容Cka連接端口 K與端口 A，第二電容Cks連接端口 K與地信號，第三電容Cas連接端口 A與地信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光子雪崩二極管探測器的電路仿真方法，其特征是:直流網(wǎng)絡(luò)SRV的三條支路分別模擬單光子雪崩二極管SPAD的三種工作區(qū)間；由第一開關(guān)SFW、電阻Rfw和電壓源Vfw串聯(lián)的支路I模擬SPAD正向?qū)ǖ墓ぷ鲄^(qū)間，第一開關(guān)Sfw代表切換工作區(qū)間的條件，電阻Rfw模擬正向?qū)娮?，電壓源Vfw模擬正向?qū)ㄩ撝惦妷海藭r單光子雪崩二極管SPAD可視作一個普通的處于正向偏置狀態(tài)的二極管；由第二開關(guān)Sam、電阻Ram和電壓源Vam串聯(lián)的支路2模擬單光子雪崩二極管SPAD反向偏置的工作區(qū)間，第二開關(guān)Sam代表切換至反偏狀態(tài)，電阻Ram模擬反向飽和電阻，電壓源Vam代表雪崩閾值，當(dāng)反向偏置電壓小于這個值時SPAD處于反向飽和狀態(tài)，當(dāng)反向偏置電壓大于這個值時SPAD發(fā)生雪崩；由第三開關(guān)SeM、電阻Rm和電壓源VeM串聯(lián)的支路3模擬SPAD的二次擊穿現(xiàn)象，第三開關(guān)Scm代表切換至二次擊穿區(qū)，電壓源VeM是SPAD所能承受的最大反偏電壓值，當(dāng)反偏電壓Vta時會發(fā)生二次擊穿，且這種擊穿是不可逆的，會燒壞器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光子雪崩二極管探測器的電路仿真方法，其特征是:交流網(wǎng)絡(luò)KAS中，第一電容Cka模擬單光子雪崩二極管SPAD器件陰極K與陽極A之間耗盡層的電容值，第二電容Cks與第三電容Cas分別模擬陰極與襯底之間的電容和陽極與襯底間的電容，這三種電容主要影響著單光子雪崩二極管SPAD的交流小信號行為。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種單光子雪崩二極管探測器的電路仿真方法，電路仿真模型結(jié)構(gòu)由直流通路SRV和交流網(wǎng)絡(luò)KAS并聯(lián)組成；直流網(wǎng)絡(luò)SRV由三條支路并聯(lián)得到，每條支路都由一個開關(guān)S、一個電阻R和一個直流電壓源V串聯(lián)而成；首先為SPAD建立了一個完整的電路仿真模型，精確的描述了其直流、交流特性以及溫度效應(yīng)，模擬SPAD對單個光子的探測行為。然后該模型用硬件描述語言Verilog-A實(shí)現(xiàn)，在通用仿真器如Cadence上進(jìn)行SPAD的電路仿真。該方法使用一種電路模型精確模擬了探測器對單個光子的探測行為，包括直流特性和交流特性。模型使用模擬硬件描述語言Verilog-A實(shí)現(xiàn)，具有很好的通用性，可在通用的電路仿真器上與其他電子電路一起完成器件和電路的混合仿真。
文檔編號G06F19/00GK103116699SQ20131002787
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月24日
發(fā)明者徐躍, 趙菲菲, 岳恒 申請人:南京郵電大學(xué)