SPAD सिंगल-फोटॉन एवलांच फोटोडिटेक्टर

एसपीएडीसिंगल-फोटॉन हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर

जब SPAD फोटोडिटेक्टर सेंसर पहली बार पेश किए गए थे, तब इनका उपयोग मुख्य रूप से कम रोशनी वाले वातावरण में किया जाता था। हालाँकि, इनके प्रदर्शन में सुधार और दृश्य आवश्यकताओं के विकास के साथ,एसपीएडी फोटोडिटेक्टरऑटोमोटिव रडार, रोबोट और मानवरहित हवाई वाहनों जैसे उपभोक्ता क्षेत्रों में सेंसरों का उपयोग तेजी से बढ़ रहा है। अपनी उच्च संवेदनशीलता और कम शोर विशेषताओं के कारण, SPAD फोटोडिटेक्टर सेंसर उच्च परिशुद्धता गहराई धारणा और कम रोशनी में इमेजिंग प्राप्त करने के लिए एक आदर्श विकल्प बन गया है।

पीएन जंक्शन पर आधारित पारंपरिक सीएमओएस इमेज सेंसर (सीआईएस) के विपरीत, एसपीएडी फोटोडिटेक्टर की मूल संरचना एक एवलांच डायोड है जो गीगर मोड में काम करती है। भौतिक क्रियाविधियों के दृष्टिकोण से, एसपीएडी फोटोडिटेक्टर की जटिलता पीएन जंक्शन उपकरणों की तुलना में काफी अधिक है। इसका मुख्य कारण यह है कि उच्च रिवर्स बायस के तहत, इसमें असंतुलित वाहकों का इंजेक्शन, थर्मल इलेक्ट्रॉन प्रभाव और दोष अवस्थाओं द्वारा समर्थित टनलिंग धारा जैसी समस्याएं उत्पन्न होने की संभावना अधिक होती है। इन विशेषताओं के कारण इसे डिजाइन, प्रक्रिया और सर्किट आर्किटेक्चर स्तरों पर गंभीर चुनौतियों का सामना करना पड़ता है।

सामान्य प्रदर्शन मापदंडोंSPAD हिमस्खलन फोटोडिटेक्टरइनमें पिक्सेल आकार (Pixel Size), डार्क काउंट नॉइज़ (DCR), लाइट डिटेक्शन प्रोबेबिलिटी (PDE), डेड टाइम (DeadTime) और रिस्पांस टाइम (Response Time) शामिल हैं। ये पैरामीटर SPAD एवलांच फोटोडिटेक्टर के प्रदर्शन को सीधे प्रभावित करते हैं। उदाहरण के लिए, डार्क काउंट रेट (DCR) डिटेक्टर नॉइज़ को परिभाषित करने वाला एक प्रमुख पैरामीटर है, और SPAD को सिंगल-फोटॉन डिटेक्टर के रूप में कार्य करने के लिए ब्रेकडाउन से अधिक बायस बनाए रखना आवश्यक है। लाइट डिटेक्शन की प्रोबेबिलिटी (PDE) SPAD की संवेदनशीलता निर्धारित करती है।हिमस्खलन फोटोडिटेक्टरऔर यह विद्युत क्षेत्र की तीव्रता और वितरण से प्रभावित होता है। इसके अतिरिक्त, डेडटाइम वह समय है जो SPAD को ट्रिगर होने के बाद अपनी प्रारंभिक स्थिति में लौटने के लिए आवश्यक होता है, जो अधिकतम फोटॉन पहचान दर और गतिशील रेंज को प्रभावित करता है।

SPAD उपकरणों के प्रदर्शन अनुकूलन में, मुख्य प्रदर्शन मापदंडों के बीच बाधा संबंध एक प्रमुख चुनौती है: उदाहरण के लिए, पिक्सेल का छोटा आकार सीधे PDE क्षीणन की ओर ले जाता है, और आकार छोटा होने के कारण किनारे के विद्युत क्षेत्रों का संकेंद्रण भी DCR में तीव्र वृद्धि का कारण बनेगा। डेड टाइम को कम करने से पोस्ट-इम्पल्स नॉइज़ उत्पन्न होगा और टाइम जिटर की सटीकता खराब हो जाएगी। अब, अत्याधुनिक समाधान ने DTI/सुरक्षा लूप (क्रॉसस्टॉक को दबाना और DCR को कम करना), पिक्सेल ऑप्टिकल अनुकूलन, नई सामग्रियों का परिचय (इन्फ्रारेड प्रतिक्रिया को बढ़ाने वाली SiGe एवलांच परत), और त्रि-आयामी स्टैक्ड सक्रिय शमन सर्किट जैसी विधियों के माध्यम से सहयोगात्मक अनुकूलन की एक निश्चित सीमा प्राप्त कर ली है।