SPADbộ tách sóng quang thác đơn photon
Khi các cảm biến quang điện SPAD được giới thiệu lần đầu, chúng chủ yếu được sử dụng trong các kịch bản phát hiện ánh sáng yếu. Tuy nhiên, với sự phát triển về hiệu năng và sự thay đổi về yêu cầu của các kịch bản sử dụng,đầu dò quang SPADCác cảm biến ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực tiêu dùng như radar ô tô, robot và máy bay không người lái. Nhờ độ nhạy cao và đặc tính nhiễu thấp, cảm biến quang điện SPAD đã trở thành lựa chọn lý tưởng để đạt được khả năng nhận biết chiều sâu chính xác cao và chụp ảnh trong điều kiện ánh sáng yếu.
Khác với các cảm biến hình ảnh CMOS truyền thống (CIS) dựa trên các mối nối PN, cấu trúc lõi của bộ tách sóng quang SPAD là một điốt thác hoạt động ở chế độ Geiger. Xét về cơ chế vật lý, độ phức tạp của bộ tách sóng quang SPAD cao hơn đáng kể so với các thiết bị mối nối PN. Điều này chủ yếu thể hiện ở chỗ, dưới điện áp phân cực ngược cao, nó dễ gây ra các vấn đề như sự tiêm các hạt tải điện không cân bằng, hiệu ứng điện tử nhiệt và dòng điện xuyên hầm được hỗ trợ bởi các trạng thái khuyết tật. Những đặc điểm này khiến nó phải đối mặt với những thách thức nghiêm trọng ở các cấp độ thiết kế, quy trình và kiến trúc mạch.
Các thông số hiệu suất phổ biến củađầu dò quang điện SPAD kiểu thác lũCác thông số bao gồm Kích thước điểm ảnh (Pixel Size), nhiễu đếm tối (DCR), xác suất phát hiện ánh sáng (PDE), thời gian chết (DeadTime) và thời gian phản hồi (Response Time). Các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của bộ tách sóng quang SPAD. Ví dụ, tốc độ đếm tối (DCR) là một thông số quan trọng để xác định nhiễu của bộ tách sóng, và SPAD cần duy trì điện áp phân cực cao hơn điện áp đánh thủng để hoạt động như một bộ tách sóng photon đơn. Xác suất phát hiện ánh sáng (PDE) xác định độ nhạy của SPAD.máy dò quang điện thác lũvà bị ảnh hưởng bởi cường độ và sự phân bố của điện trường. Ngoài ra, DeadTime là thời gian cần thiết để SPAD trở lại trạng thái ban đầu sau khi được kích hoạt, điều này ảnh hưởng đến tốc độ phát hiện photon tối đa và dải động.
Trong việc tối ưu hóa hiệu năng của các thiết bị SPAD, mối quan hệ ràng buộc giữa các thông số hiệu năng cốt lõi là một thách thức lớn: ví dụ, việc thu nhỏ pixel trực tiếp dẫn đến sự suy giảm PDE, và sự tập trung của điện trường biên do việc thu nhỏ kích thước cũng sẽ gây ra sự gia tăng mạnh DCR. Giảm thời gian chết sẽ gây ra nhiễu sau xung và làm giảm độ chính xác của jitter thời gian. Hiện nay, giải pháp tiên tiến đã đạt được một mức độ tối ưu hóa phối hợp nhất định thông qua các phương pháp như vòng lặp bảo vệ DTI (ức chế nhiễu xuyên kênh và giảm DCR), tối ưu hóa quang học pixel, giới thiệu vật liệu mới (lớp thác SiGe tăng cường phản ứng hồng ngoại) và mạch dập tắt chủ động xếp chồng ba chiều.
Thời gian đăng bài: 23/7/2025