INTRODUCTION

SPAD操作在逆偏壓(reverse bias voltage)高於崩潰電壓(breakdown woltage)的狀態下,此時PN接面(PN junction)的空乏區(depletion region)產生極大的電場並具有暫態特性,當光子入射於累增區(multiplication region)之後,透過高電場加速發生碰撞游離(impact ionization),迅速產生趨近於無限大的增益電流訊號,藉此來判定單光子的偵測。再來經由淬火(quench)與回復(reset)機制回到崩潰電壓之上,等待下一次光電子的激發與偵測,如Fig. 1。

以SPAD作為核心電路,加上PQC(Passive Quenching Circuit),配合3T-APS(Active Pixel Sensor)將曝光時間內累積的SPAD event次數轉換為電壓差從pixel上讀出。Pixel array 在曝光時間內累積的電壓差,經由source follower以row by row的方式將值傳送到 sample & hold 電路作儲存,再依序打開不同column並將訊號讀出。

主要電路包含感光區域(Pixel Array)、讀取電路(Sample & Hold)及周邊的數位控制電路(Control Signal),如圖Fig. 2。

可以分為數位電路與類比電路2個區塊:

數位電路負責產生控制訊號,控制不同的row & column依序讀出。

類比電路是最核心的部分,Pixel Array是由30組row以及30組column所組成,其中column1當作測試model,column2~30才是實際上模擬SPAD的model。

Pixel部分如圖Fig. 3所示:

電路模擬結果如圖Fig.4、Fig.5所示:


Fig. 1


Fig. 2


Fig. 3


Fig. 4


Fig. 5

心得感想

在修過積體電路相關的課後對電路設計產生濃厚的興趣,接著便踏入謝志成教授的實驗室學習如何去做關於影像感測方面的研究,研究期間也學到如何看懂paper、建電路的schematic、跑模擬以及畫layout。還記得前幾次meeting在實驗室待到11點快過夜的時光,漸漸培養了做這方面研究的能力,希望以後研究所能更往這塊去深入研究,製作出獨一無二的晶片。很感謝partner以及實驗室學長姐還有教授的指導以及支持!!