本發明是一種應用于單光子探測器的淬滅和限流電路，該電路能夠快速實現對單光子雪崩二極管雪崩現象的淬滅，并對雪崩電流進行有效的限流，有效降低功耗。整體的淬滅和限流電路架構簡單，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，就以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所決定，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是，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淬滅和限流電路，在實現對探測器雪崩現象的快速淬滅的同時，有效的限制了雪崩電流的大小，極大的降低了電路的功耗。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淬滅和限流電路，用于單光子雪崩二極管雪崩現象的抑制和對雪崩電流的限流。如圖4所示，其基本電路結構構成為：單光子雪崩二極管（spad）的陽極施加一個固定電壓vap，此固定電壓比二極管雪崩擊穿電壓稍低。spad的陰極與一個pmosfet管m2的源極相連。兩個pmosfet管m1和m2組合一個電流鏡，電阻rs用于對電流鏡進行限流。m1和m2的漏極接電壓vdd。spad的陰極與一個反相器組連接，反相器組對脈沖信號進行調制輸出，并作為整個電路的緩沖。
本發明所述的應用于單光子探測器的淬滅和限流電路，相對于已有的各種電路技術，主要的有益效果是：（1）雪崩電流得到有效的限制，降低器件功耗；（2）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；（3）淬滅時間短，工作速度快；（4）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淬滅和限流電路；
圖5時本發明電路構成的一個陣列示意圖。
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。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是本發明的應用于單光子探測器的淬滅和限流電路的電路結構圖，所述的淬滅和限流電路的具體構成是：單光子雪崩二極管（spad）的陽極施加一個固定電壓vap，此固定電壓比二極管雪崩擊穿電壓稍低。spad的陰極與一個pmosfet管m2的源極相連。兩個pmosfet管m1和m2組合一個電流鏡，電阻rs用于對電流鏡進行限流，確保整個電路的工作電流上限。m1和m2的漏極接電壓vdd。spad的陰極與一個反相器組連接，反相器組對脈沖信號進行調制并輸出，并作為整個電路的緩沖。
所述的應用于單光子探測器的淬滅和限流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，此電壓比二極管擊穿電壓低，m1和m2的漏極連接一個正電壓源vdd。在沒有光子信號入射時，m2管上壓降為零，spad陰極電壓vx等于vdd，此時spad兩端電壓差為
vspad=vdd－vap(1)
此電壓比spad的雪崩擊穿電壓高，此時spad處于蓋革工作模式。當有光子入射時，spad發生雪崩效應，此時m2管上產生壓降，spad陰極電壓vx將小于vdd，從而spad兩端電壓差下降至擊穿電壓以下，雪崩現象得到抑制。電路電流減小為零，m2管壓降為零，spad陰極電壓vx恢復至vdd，整個電路復位至初始狀態，等待下一次探測。
整個過程中的電流限制在m1和m2組成的電流鏡電流之內，電流鏡電流由電阻rs限制，通過設置rs阻值大小，可以有效控制整個電路的工作電流，從而達到最優工作狀態，減小電路功耗。
如圖5所示，所述的淬滅和限流電路易于構成大規模探測器陣列，類似于成熟的cmosaps成像陣列架構，采用共輸出線bl結構，每行增加一個mosfet作為行選擇管，實現同行同步讀取。