蓋革模式雪崩光電二極管的場效應(yīng)管淬滅電路設(shè)計

施向東，賴曉艷

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009）

0 引言

信息技術(shù)自20世紀(jì)70年代以來發(fā)展迅速，電子光學(xué)技術(shù)與信息通信、物理等學(xué)科交匯融合，使得許多有價值的新技術(shù)蓬勃發(fā)展，光子計數(shù)成像檢測技術(shù)就是其中之一[1]。光電探測器是光子計數(shù)成像檢測技術(shù)中非常重要的一部分?，F(xiàn)今，使用最廣泛的光電探測器件主要為光電倍增管（photo multiplier tube，PMT）和雪崩光電二極管（Avalanche Photondiode，APD）[2]。其中APD 具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)，探測靈敏度高，在高增益狀態(tài)下信噪比仍然可以保持良好，故而在光子計數(shù)成像檢測領(lǐng)域被廣泛使用。

APD 是一種具有內(nèi)光電效應(yīng)的光電探測器，擁有放大內(nèi)部增益的功能，當(dāng)APD 工作在反偏電壓下時，反偏電壓越高，器件內(nèi)部耗盡層中的電場強度會變得越大，電流增益也會變得越高，故而APD 的靈敏度也就越高[3]。在工作過程中，當(dāng)光子進入到APD 后，因發(fā)生光電效應(yīng)，APD 內(nèi)部將會產(chǎn)生電荷載流子，產(chǎn)生的光生載流子在電場加速下可獲得充足的能量與原子晶格產(chǎn)生碰撞并產(chǎn)生電離效應(yīng)，電離碰撞效應(yīng)發(fā)生后，產(chǎn)生電子-空穴對，隨后產(chǎn)生的“電子-空穴對”在APD 內(nèi)部耗盡層的電場下被極速分離，進而重復(fù)產(chǎn)生新的電離碰撞效應(yīng)，如此重復(fù)，從而觸發(fā)載流子的雪崩效應(yīng)，產(chǎn)生可觀的雪崩電流[3]。APD 有線性和蓋革兩種工作模式，如圖1所示。工作在蓋革模式下的 APD（Geiger Mode-Avalanche Photondiode，Gm-APD）反偏電壓高于雪崩電壓，這時單光子就可觸發(fā)APD 的雪崩效應(yīng)并產(chǎn)生雪崩電流，具有極高的靈敏度。所以Gm-APD 在激光測距成像領(lǐng)域越來越受到重視。

圖1 APD 反偏電壓/電流關(guān)系圖Fig.1 APD inverse voltage/current diagram

當(dāng)APD 工作于蓋革模式時，發(fā)生雪崩效應(yīng)后器件內(nèi)部的雪崩電流極高，如不及時降低將會有損壞器件的風(fēng)險，所以需要有效的淬滅電路來進行雪崩電流的淬滅。因此，擁有一個快速、有效的淬滅電路顯得格外重要。

1964年，Haitz 等人在研究Gm-APD 的雪崩擊穿工作原理時，建立了Gm-APD 的電學(xué)模型，并提出設(shè)計了被動淬滅電路[4-5]。1975年，意大利米蘭理工大學(xué)的Cova 針對被動淬滅電路死時間過長的缺點，把Haitz 提出的被動淬滅電路進行了改進，提出設(shè)計了Gm-APD 的主動淬滅電路[6]。本文在此基礎(chǔ)上進行深一步研究，提出設(shè)計了一種場效應(yīng)管淬滅電路（Field Effect Transistor Quenching Circuit），在淬滅速度和死時間方面有了顯著提升。

1 Gm-APD 模型的建立

1.1 Gm-APD 光子觸發(fā)模型

為了檢驗本文所設(shè)計淬滅電路的準(zhǔn)確性、有效性，需要建立Gm-APD 的電學(xué)模型來模擬光子觸發(fā)的過程。本文采用意大利米蘭理工大學(xué)Haitz 等人所設(shè)計的Gm-APD 模型[7]，如圖2所示。V1代表Gm-APD的擊穿電壓，R1代表電荷區(qū)電阻，R2代表Gm-APD內(nèi)部電阻，C1代表陽極到襯底的散雜電容，C2代表陰極到襯底的散雜電容。

使用Multisim 電路仿真軟件對Gm-APD 光子觸發(fā)模型進行仿真驗證，仿真結(jié)果如圖3所示?？梢钥吹?，此模型完整地呈現(xiàn)出了Gm-APD 由光子觸發(fā)并發(fā)生雪崩效應(yīng)的工作模式，可以滿足進一步研究的需要。

1.2 被動淬滅電路及主動淬滅電路驗證

被動淬滅方式就是把一個大數(shù)值的電阻與Gm-APD 串聯(lián)，由于電阻的分壓原理可以使Gm-APD的雪崩電壓降低，使Gm-APD 的反偏電壓低于雪崩電壓，停止Gm-APD 內(nèi)部電荷載流子以及電子-空穴對的快速產(chǎn)生，實現(xiàn)雪崩電壓的淬滅。使用Multisim 電路仿真軟件對被動淬滅電路以及Gm-APD 電學(xué)模型進行驗證，被動淬滅電路的原理圖如圖4所示。

圖2 Gm-APD 電學(xué)模型Fig.2 Gm-APD electrical model

圖3 Gm-APD 光子觸發(fā)模型仿真波形Fig.3 Gm-APD photon trigger model simulation waveform

圖4 Gm-APD 被動淬滅電路原理圖Fig.4 Gm-APDPassive quenching circuit schematic

淬滅時間可由公式(1)算出[8]：

根據(jù)公式(1)算出被動淬滅電路的淬滅時間大約為1.2 μs。用示波器觀察Gm-APD 雪崩電壓的變化，具體波形圖如圖5所示。可以觀察到此波形準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出了Gm-APD 先雪崩再淬滅這一過程，可以測出淬滅時間為1.231 μs，死時間為422.4 ns，和理論值相符。由此可看出前文所建立的Gm-APD 電學(xué)模型可以滿足后續(xù)測試的需求。

被動淬滅電路有一個缺陷，就是串聯(lián)的大數(shù)值淬滅電阻最大不能超過幾百kΩ，因為如果淬滅電阻過大，會造成Gm-APD 的死時間過長，導(dǎo)致無法快速進行下一次光子的探測。因此，被動淬滅電路的淬滅時間受到了限制，無法繼續(xù)降低，難以滿足快速檢測的應(yīng)用需求。

為了克服被動淬滅電路的缺點，Cova 等人[6]在被動淬滅電路的基礎(chǔ)上設(shè)計了主動淬滅電路。主動淬滅方式就是在被動淬滅方式的基礎(chǔ)上增加了反饋的回路，并且通過控制開關(guān)來對雪崩電壓進行淬滅，主動淬滅電路的原理圖和仿真波形圖如圖6所示。通過仿真波形可看出主動淬滅方式的淬滅時間為52.2 ns，死時間為20 ns。

圖5 Gm-APD 被動淬滅電路雪崩電壓變化波形圖Fig.5 Gm-APD passive quenching circuit avalanche voltage change waveform

2 場效應(yīng)管淬滅電路

本文在主動淬滅電路的基礎(chǔ)上進一步研究，利用場效應(yīng)管的電壓控制特性，把主動與門控淬滅電路相結(jié)合，設(shè)計了一種場效應(yīng)管淬滅電路，場效應(yīng)管淬滅電路電路圖以及等效模型如圖7所示。

圖7 場效應(yīng)管淬滅電路電路圖以及等效模型Fig.7 Circuit diagram and equivalent model of field effect transistor quenching circuit

本文所設(shè)計的場效應(yīng)管淬滅電路在融合了被動淬滅電路的淬滅電阻以及主動淬滅電路的反饋回路的基礎(chǔ)上，通過加入場效應(yīng)管，利用其電壓控制的功能，使淬滅時間以及死時間得到了進一步提高。在所設(shè)計的淬滅電路中，場效應(yīng)管由于在柵極（G 管腳）接有負偏壓（－UG），在G 管腳的左近處構(gòu)成耗盡層。當(dāng)負偏壓（－UG）的絕對值增大時，耗盡層增大、溝道減小、漏極（D 管腳）的電流ID減小。當(dāng)負偏壓（－UG）的絕對值減小時，耗盡層減小、溝道增大、漏極（D 管腳）電流ID增大?？梢姡O（D 管腳）的電流ID受柵極（G 管腳）的電壓控制，可看出場效應(yīng)管是一種可以控制電壓的器件。利用場效應(yīng)管可以控制電壓的特點設(shè)計出同時具有主動和門控特性的場效應(yīng)管淬滅電路。本次設(shè)計所使用的是增強型N 溝道的MOS 場效應(yīng)管，由圖7(a)看出，控制電壓和參考電壓分別從電壓比較器（采用LM358 電壓比較器）的同相輸入端和反相輸入端進入，電壓比較器的電源接正12 V 和地，電壓比較器的輸出經(jīng)過上拉電阻上拉后接場效應(yīng)管的G 管腳，如果控制電壓比參考電壓高，則控制場效應(yīng)管管導(dǎo)通輸出電流。此時如果Gm-APD 雪崩產(chǎn)生雪崩電流（通過比較器鑒別是否發(fā)生雪崩），則通過場效應(yīng)管控制電壓降低，達到雪崩淬滅的作用。淬滅時間可由如公式(2)算出：

場效應(yīng)管淬滅電路的等效模型如圖7(b)所示，當(dāng)Gm-APD 接收到光子后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生的電荷載流子在電場的加速下碰撞產(chǎn)生電子-空穴對，發(fā)生雪崩效應(yīng)、電壓急劇升高，通過與參考電壓通過電壓比較器，鑒別出確實發(fā)生雪崩效應(yīng)，然后由場效應(yīng)管控制電壓降低，實現(xiàn)雪崩淬滅。使用Multisim 電路仿真軟件進行仿真驗證，此過程Gm-APD 的輸出波形如圖8所示。

圖8 Gm-APD 場效應(yīng)管淬滅電路雪崩電壓變化波形圖Fig.8 Gm-APD field effect transistor quenching circuit avalanche voltage change waveform

由圖8 可得，本文所設(shè)計的場效應(yīng)管淬滅電路的淬滅時間為21.026 ns，死時間為16.5 ns，與理論值相符。與常用的被動、主動淬滅方式的淬滅時間相比較，如表1所示，淬滅時間以及死時間顯著縮短。

表1 淬滅時間比較Table 1 Quenching time comparison

3 結(jié)論

本文建立了Gm-APD 的電學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計并仿真驗證了場效應(yīng)管淬滅電路，成功實現(xiàn)了對發(fā)生雪崩效應(yīng)的Gm-APD 的快速淬滅。結(jié)果表明，本文所設(shè)計的場效應(yīng)管淬滅電路較現(xiàn)今常用的被動、主動淬滅方式的淬滅時間以及死時間顯著縮短，分別可達21.026 ns 和16.5 ns，滿足激光測距、成像的實用化需求。