SPADfotorivelatore a valanga a singolo fotone
Quando i sensori fotodetettori SPAD furono introdotti per la prima volta, venivano utilizzati principalmente in scenari di rilevamento in condizioni di scarsa illuminazione. Tuttavia, con l'evoluzione delle loro prestazioni e lo sviluppo dei requisiti della scena,fotorivelatore SPADI sensori trovano sempre più applicazione in ambiti di consumo come i radar automobilistici, la robotica e i veicoli aerei senza pilota. Grazie all'elevata sensibilità e alle basse caratteristiche di rumore, il sensore fotodetettore SPAD è diventato la scelta ideale per ottenere una percezione della profondità ad alta precisione e immagini in condizioni di scarsa illuminazione.
A differenza dei tradizionali sensori di immagine CMOS (CIS) basati su giunzioni PN, la struttura principale del fotorivelatore SPAD è un diodo a valanga operante in modalità Geiger. Dal punto di vista dei meccanismi fisici, la complessità del fotorivelatore SPAD è significativamente maggiore rispetto a quella dei dispositivi a giunzione PN. Ciò si riflette principalmente nel fatto che, in presenza di un'elevata polarizzazione inversa, è più probabile che si verifichino problemi come l'iniezione di portatori sbilanciati, effetti termici degli elettroni e correnti di tunneling assistite da stati di difetto. Queste caratteristiche pongono notevoli sfide a livello di progettazione, processo e architettura circuitale.
Parametri di prestazione comuni difotorivelatore di valanghe SPADincludono Pixel Size (Pixel Size), dark count noise (DCR), light detection probability (PDE), dead Time (DeadTime) e Response time (Response Time). Questi parametri influenzano direttamente le prestazioni del fotorivelatore a valanga SPAD. Ad esempio, il dark count rate (DCR) è un parametro chiave per definire il rumore del rivelatore e lo SPAD deve mantenere una polarizzazione superiore al breakdown per funzionare come rivelatore di singolo fotone. La probabilità di rilevamento della luce (PDE) determina la sensibilità dello SPADfotorivelatore di valangheed è influenzato dall'intensità e dalla distribuzione del campo elettrico. Inoltre, il DeadTime è il tempo necessario affinché lo SPAD ritorni al suo stato iniziale dopo essere stato attivato, il che influisce sulla velocità massima di rilevamento dei fotoni e sulla gamma dinamica.
Nell'ottimizzazione delle prestazioni dei dispositivi SPAD, la relazione di vincolo tra i parametri prestazionali principali rappresenta una sfida importante: ad esempio, la miniaturizzazione dei pixel porta direttamente all'attenuazione del PDE, e la concentrazione dei campi elettrici sui bordi causata dalla miniaturizzazione delle dimensioni provoca anche un forte aumento del DCR. La riduzione del tempo morto induce rumore post-impulso e deteriora la precisione del jitter temporale. Attualmente, le soluzioni all'avanguardia hanno raggiunto un certo grado di ottimizzazione collaborativa attraverso metodi come il DTI/circuito di protezione (soppressione del crosstalk e riduzione del DCR), l'ottimizzazione ottica dei pixel, l'introduzione di nuovi materiali (strato a valanga di SiGe che migliora la risposta all'infrarosso) e circuiti di spegnimento attivi impilati tridimensionali.
Data di pubblicazione: 23 luglio 2025