SPAD एकल-फोटॉन हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर

स्पॅडएकल-फोटॉन हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर

जेव्हा SPAD फोटोडिटेक्टर सेन्सर्स पहिल्यांदा सादर केले गेले, तेव्हा ते प्रामुख्याने कमी-प्रकाशातील शोध परिस्थितींमध्ये वापरले जात होते. तथापि, त्यांच्या कार्यक्षमतेच्या उत्क्रांतीमुळे आणि दृश्याच्या आवश्यकतांच्या विकासामुळे,SPAD फोटोडिटेक्टरऑटोमोटिव्ह रडार, रोबोट आणि मानवरहित हवाई वाहने यांसारख्या ग्राहकोपयोगी क्षेत्रांमध्ये सेन्सर्सचा वापर वाढत्या प्रमाणात होत आहे. त्याच्या उच्च संवेदनशीलता आणि कमी नॉईज या वैशिष्ट्यांमुळे, उच्च-सुस्पष्ट खोलीची जाणीव (depth perception) आणि कमी प्रकाशातील इमेजिंग साध्य करण्यासाठी SPAD फोटोडिटेक्टर सेन्सर एक आदर्श पर्याय बनला आहे.

पीएन जंक्शनवर आधारित पारंपरिक सीएमओएस इमेज सेन्सर्सच्या (सीआयएस) विपरीत, एसपीएडी फोटोडिटेक्टरची मूळ रचना गायगर मोडमध्ये कार्यरत असलेला एक अव्हॅलेंच डायोड आहे. भौतिक कार्यप्रणालीच्या दृष्टिकोनातून पाहिल्यास, एसपीएडी फोटोडिटेक्टरची गुंतागुंत पीएन जंक्शन उपकरणांपेक्षा लक्षणीयरीत्या जास्त आहे. हे प्रामुख्याने या वस्तुस्थितीतून दिसून येते की, उच्च रिव्हर्स बायसखाली असंतुलित वाहकांचे इंजेक्शन, थर्मल इलेक्ट्रॉन इफेक्ट्स आणि दोषपूर्ण स्थितींच्या साहाय्याने निर्माण होणारे टनेलिंग प्रवाह यांसारख्या समस्या उद्भवण्याची अधिक शक्यता असते. या वैशिष्ट्यांमुळे त्याला डिझाइन, प्रक्रिया आणि सर्किट आर्किटेक्चर या स्तरांवर गंभीर आव्हानांना सामोरे जावे लागते.

सामान्य कार्यप्रदर्शन मापदंडSPAD हिमस्खलन फोटोडिटेक्टरयामध्ये पिक्सेल आकार (Pixel Size), डार्क काउंट नॉईज (DCR), प्रकाश शोधन संभाव्यता (PDE), डेड टाइम (DeadTime) आणि प्रतिसाद वेळ (Response Time) यांचा समावेश आहे. हे पॅरामीटर्स SPAD अव्हॅलेंच फोटोडिटेक्टरच्या कार्यक्षमतेवर थेट परिणाम करतात. उदाहरणार्थ, डार्क काउंट रेट (DCR) हा डिटेक्टर नॉईज परिभाषित करणारा एक महत्त्वाचा पॅरामीटर आहे, आणि सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर म्हणून कार्य करण्यासाठी SPAD ला ब्रेकडाउनपेक्षा जास्त बायस राखणे आवश्यक असते. प्रकाश शोधनाची संभाव्यता (PDE) SPAD ची संवेदनशीलता ठरवते.हिमस्खलन फोटोडिटेक्टरआणि विद्युत क्षेत्राच्या तीव्रतेवर आणि वितरणावर अवलंबून असते. याव्यतिरिक्त, डेडटाइम म्हणजे ट्रिगर झाल्यानंतर SPAD ला त्याच्या सुरुवातीच्या स्थितीत परत येण्यासाठी लागणारा वेळ, जो कमाल फोटॉन शोध दर आणि डायनॅमिक रेंजवर परिणाम करतो.

SPAD उपकरणांच्या कार्यप्रदर्शन ऑप्टिमायझेशनमध्ये, मुख्य कार्यप्रदर्शन पॅरामीटर्समधील बंधनकारक संबंध हे एक मोठे आव्हान आहे: उदाहरणार्थ, पिक्सेलच्या लघुकरणामुळे थेट PDE क्षीणता येते, आणि आकार लहान झाल्यामुळे होणाऱ्या एज इलेक्ट्रिक फील्ड्सच्या केंद्रीकरणामुळे DCR मध्ये तीव्र वाढ होते. डेड टाइम कमी केल्याने पोस्ट-इम्पल्स नॉइज निर्माण होतो आणि टाइम जिटरची अचूकता खालावते. आता, अत्याधुनिक उपायाने DTI/ प्रोटेक्शन लूप (क्रॉसटॉक दाबून DCR कमी करणे), पिक्सेल ऑप्टिकल ऑप्टिमायझेशन, नवीन सामग्रीचा वापर (इन्फ्रारेड प्रतिसाद वाढवणारा SiGe अव्हॅलेंच लेयर), आणि थ्री-डायमेन्शनल स्टॅक्ड ॲक्टिव्ह क्वेंचिंग सर्किट्स यांसारख्या पद्धतींद्वारे एका विशिष्ट स्तरापर्यंत सहयोगी ऑप्टिमायझेशन साध्य केले आहे.