单光子雪崩二极管建模及基于荧光寿命成像的像素单元设计

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1、单位代码：１０２９３：密级ＩｒＶ沸Ｊ今雀４倉硕女緣像俗ＡＩ论文题目：单光子雪崩二极管建構及基于黄光寿命成像的像素单元设计１０１３０２０８０３学号谢小朋姓名＆Ｓ导师学科专业微电子学与固体电子学研究方向功率和射频集成电路申请学位类别工学题壬Ｈ０—论文提交日期；六年五月＿；Ｊ、？－＞１Ａ？．；南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研巧工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加

2、Ｗ标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。一本人学位论文及涉及相关资料若有不实，切相关的法律责任愿意承担。、日ｒＪ研究生签名：巧巧日期：南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可Ｗ保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子文レ档；允许论文被查阅和借阅；可ッ将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；可采用影印、缩

3、印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质一理论文的容相致。论文的公（包括刊登）授权南邮电大学研生院。内布京究办密学论文密后适用。涉位在解本授权书、０１《（７目）弓义月研究生签名：参句：；夺导师签名％日期ModelingofsinglephotonavalanchediodeanddesignofpixelcircuitforfluorescencelifetimeimagingapplicationThesisSubmittedtoNanjingUniversityofPostsandTeleco

4、mmunicationsfortheDegreeofMasterofEngineeringByXiaopengXieSupervisor:Prof.YueXuMay2016摘要盖革模式下的单光子雪崩二极管SPAD(SinglePhotonAvalancheDiode)是一种能够探测极微弱光信号的探测器，在量子物理、生物医学、天文学等领域得到广泛应用。然而关于SPAD器件的理论研究，都是基于经验公式和半导体物理的理论公式推导而来，所有的理论结果都需要实验来验证，这加大了器件的研究成本。在仿真模型方面，目前CMOS(ComplementaryM

5、etalOxideSemiconductor)工艺厂商并没有提供准确的可供电路仿真的SPADEDA模型，给系统的仿真带来困难。在荧光寿命应用方面，目前比较成熟的技术是TCSPC(Time-CorrelatedSinglePhotonCounting)，但其占用了较大版图面积，应用TCSPC浪费了电路性能。针对上述存在的一些问题，首先，本文深入研究了影响探测器探测效率、暗计数率、后脉冲几率的物理机制。对探测效率综合考虑上表面吸收、下表面吸收、耗尽层吸收三个物理机制，结合Silvaco仿真工具提取器件的电场分布和雪崩触发几率分布，从而计算探测效

6、率随过偏压、探测区面积、波长的变化关系，并与文献报道的实验结果进行比对，验证理论的正确性。同时深入探讨了影响暗计数率的三个物理机制—热产生、缺陷辅助遂穿、带带遂穿，分析在低场和强场下，分别是那种机制占主导作用，并文献报道的实验结果比对，分析误差原因。对后脉冲几率，假定了两个陷阱能级对后脉冲几率的影响，研究了陷阱电子和空穴从俘获到再次释放的过程，最终计算出后脉冲几率。其次，在上述理论模型的基础上，设计了一个行为性的单光子探测器EDA（ElectronicDesignAutomation）仿真模型，该模型不仅可以模拟器件的电流电压特性，而且首次

7、将上述的理论计算得到光子探测效率，暗计数率和后脉冲几率，转化为器件仿真时的噪声参数，使EDA模型的仿真结果更加符合实际器件的工作状态。该仿真模型应用硬件描述语言Verilog-A来实现，语言中包含一些随机分布函数，利用这些函数，可以很好地实现器件的行为性特性的仿真建模。最后，设计一个检测荧光寿命的像素单元电路，该电路应用时间门控探测方法，利用两个门控窗口，通过大量的累计实验，将两个门控窗口内到达的光子数统计出来，最终确定荧光的寿命。因为大部分荧光的寿命都在ns级，所以需要通过单稳态电路将光子脉冲压缩为300ps左右的精度。该电路与时间相关的

8、单光子计数相比，不需要记录每个光子的到达时间，因而压缩单个像素单元的面积，使得大规模的阵列集成成为可能。同时该电路可以工作于两种状态下，门控模式用作荧光寿命的测量，连续模式则可以