本發明是一種應用于單光子探測器的控制電路和陣列架構，該控制電路能夠快速實現對單光子雪崩二極管雪崩現象的淬滅，復位以及信號的讀出，并且探測周期可調。整體的控制電路以及該電路所構成的陣列架構簡單，集成度高，與標準集成電路工藝完全兼容，可實現大規模成像探測陣列。
背景技術：
單光子雪崩二極管（spad）自從被提出以來，因其極快的響應速度和極高的靈敏度等特性，成為弱光探測和高速成像研究領域的一個熱點技術。單光子雪崩二極管的簡單結構實際上就是一個二極管，如圖1所示，其工作電壓在二極管pn結反向擊穿電壓以上，即蓋革模式，所以器件中耗盡層電場很高，這個高電場足以使其中的載流子獲得足夠的能量，通過碰撞離化效應發生雪崩現象，產生一個大電流，從而將一個載流子放大到一個可觀測的大電流。在蓋革模式下，入射光進入耗盡區后，光子被半導體吸收，產生一個電子空穴對。電子和空穴在耗盡區強電場作用下加速獲得足夠的能量并與晶格碰撞產生另一對電子空穴對，如此反復進行下去，形成一個連鎖反應，最終結果是將一個光子產生的電子空穴對放大到大量的電子空穴對，構成一個可觀測的光電流，這就是pn結的雪崩現象。
單光子雪崩二極管在產生雪崩效應后，如果不進行遏制，二極管長時間處于大電流狀態，容易燒毀器件，并且無法進行下一次探測。因此，需要額外的電路將這個大電流抑制下去，這就是淬滅電路的作用。有了淬滅電路的存在，蓋革模式下的二極管探測光信號就會表現出一個個電流脈沖，在沒有暗噪聲的情況下，一個脈沖電流就代表一個光子信號。如果要進行高速的探測，就要求每一個電流脈沖的時間越短越好，這個脈沖時間主要就是由淬滅電路決定，因此，為了使單光子雪崩二極管工作速度快，淬滅電路就需要特別的設計。
傳統的淬滅電路分為主動式和被動式兩種。被動模式的淬滅電路是在雪崩二極管上串聯一個大電阻，如圖2所示，通過串聯分壓的原理，在二極管雪崩狀態下，雪崩電流在大電阻上產生一個電壓降，使得二極管兩端的電壓降低至雪崩擊穿電壓以下，從而使雪崩現象停止。當電流逐漸減小時，大電阻兩端的電壓減小，而二極管兩端的電壓就逐漸恢復至初始狀態，重新進行下一次探測。被動模式淬滅電路設計簡單，但是淬滅和恢復時間較長，不利于高速探測的應用。在現代技術中，主動模式淬滅電路已經成為主要應用，其特點是淬滅和恢復時間比被動模式快，而且可控。圖3所示為一種傳統的主動模式淬滅電路，其設計相對復雜，而且由于電路占用更多的面積，導致探測器的占空比難以提高。
此外，由于單光子雪崩二極管每次探測到一個光子信號時，都將發生雪崩效應，雪崩電流瞬間達到毫安級別，如果大規模的單光子雪崩二極管陣列同時工作，電流將非常巨大，產生的功耗也將隨著陣列規模上升而急劇上升，不利于大規模陣列設計。
本發明提出的一種應用于單光子探測器的控制電路和陣列架構，可實現對探測器雪崩現象的快速淬滅、復位以及信號讀取，且探測周期可根據需要調整。整體電路架構簡單，大幅度提高探測器占空比，易于探測器的大規模集成。本發明的控制電路有效解決了現有技術中存在的問題和難點。
技術實現要素：
本發明提出的一種應用于單光子探測器的控制電路和陣列架構，用于對單光子雪崩二極管的雪崩現象的淬滅、復位和信號的讀取。如圖4所示，其基本的控制電路組成為：單光子雪崩二極管（spad）的陽極施加一個固定負電壓vap，此固定負電壓絕對值比二極管雪崩電壓稍低。spad的陰極與一個二選一的開關相連，二選一開關可對電源電壓vdd和一個電壓比較器輸入端進行二選一的選擇，開關選擇通過外部時序進行控制。電壓比較器的參考電壓vref可由實際需要設定為一固定數值，電壓比較器輸出端根據輸入端的電壓比較判定結果輸出信號。
本發明所述的應用于單光子探測器的控制電路和陣列架構，相對于已有的各種電路技術，主要的有益效果是：（1）電路結構簡單，電路部分占用面積小，有利于提高整個探測器的占空比；（2）淬滅時間短，工作速度快，探測周期可根據需要進行調整；（3）便于探測器的大規模集成。
附圖說明
現將參照以下附圖具體詳細的說明本發明的主題，并清楚地理解本發明的有關電路結構和工作模式以及其目的、特征和優勢：
圖1是標準的單光子雪崩二極管（spad）的基本結構示意圖；
圖2是傳統的被動淬滅電路結構示意圖；
圖3是傳統的主動淬滅電路結構示意圖；
圖4是本發明的應用于單光子探測器的控制電路結構示意圖；
圖5是本發明的控制電路的工作過程示意圖；
圖6是本發明的應用于單光子探測器的陣列架構示意圖；
圖7是本發明陣列架構的工作時序圖。
具體實施方式
在以下的詳細說明中，將結合附圖及實施例對本發明的工作原理和工作過程進行全面的理解。理解如果將各個晶體管的類型對換（即n型晶體管替換為p型晶體管），而操作電壓進行適當的相反，則其不超過本發明的核心內涵。
圖4為本發明的應用于單光子探測器的控制電路結構圖，所述的控制電路具體構成是：單光子雪崩二極管（spad）的陽極施加一個固定負電壓vap，此固定負電壓絕對值比二極管雪崩電壓稍低。spad的陰極與一個二選一的開關相連，二選一開關可對電源電壓vdd和一個電壓比較器輸入端進行二選一的選擇，開關選擇通過外部時序進行控制。電壓比較器的參考電壓vref可由實際需要設定為一固定數值，電壓比較器輸出端根據輸入端的電壓比較判定結果輸出信號。
所述的應用于單光子探測器的控制電路的工作原理和工作過程如下：
電路開始工作時，spad的陽極施加一個負電壓vap，此電壓的絕對值稍低于二極管擊穿電壓。電壓比較器參考電壓vref設置為vdd/2。如圖5（a）所示，二選一開關選擇固定電源端vdd，電路對spad進行充電，spad陰極電位上升至vdd，此時spad兩端電壓差為（vdd+vap），此電壓值高于二極管擊穿電壓，此時spad處于蓋革工作模式。此時斷開二選一開關，spad進行光子探測。之后二選一開關接通電壓比較器輸入端，如圖5（b）所示。電壓比較器進行如下判定：（1）如果有光子入射，spad發生雪崩效應，spad通過雪崩電流進行放電，陰極端電位下降。此時陰極端電位與電壓比較器參考電壓vref進行比較，如果低于vref，則說明spad有放電過程，表示spad探測到一個光子信號，電壓比較器輸出一個脈沖電壓信號。（2）如果沒有光子入射，則spad陰極電位基本保持不變，此時陰極電位高于電壓比較器的參考電壓vref，電壓比較器不輸出信號。
通過以上過程，spad完成一個探測周期。此時二選一開關選擇固定電壓端，對spad進行充電，從而進入下一個探測周期。
整個探測過程中，二選一開關的選擇由外部時序控制，此時序可根據需要進行設定調制，從而可實現對spad探測周期的調制。
圖6所示為應用本發明控制電路所設計的單光子探測器陣列架構示意圖，其中二選一開關功能通過兩個mosfet（金屬-氧化物半導體場效應晶體管，即金氧半場效晶體管metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor）晶體管開關特性實現，其他方式實現二選一開關功能不超出本發明的保護范圍。陣列時序s1、s2如圖7所示。