SPAD的死区时间能做到“1.9 ns自由调控”吗？这项180 nm CMOS新前端给出答案！

1. 研究成就与核心看点

此研究提出了一种基于标准180纳米CMOS工艺实现的单光子雪崩二极管（SPADs）新型前端电路，核心突破在于死区时间的精确可调控性、低噪声设计及高稳健性。

关键性能指标：
．标称死区时间：2.12纳秒（ns）
．死区时间调控范围：1.9 ns至40 ns
．最大计数率：526 Mcps至25 Mcps（对应不同死区时间设置）
．快速猝灭与复位：在5V过量偏压下，猝灭转换时间47.5皮秒（ps），最终复位时间52 ps
．器件稳健性：在-40°C至150°C温度范围、全制程角及器件尺寸变化下均保持稳定性能

该设计通过控制截止时间和复位时间动态调节死区时间，有效缓解了光子探测效率、最大光子计数率与后脉冲效应之间的固有权衡问题。

2. 研究团队

研究由美国佛罗里达国际大学电气与计算机工程系的Nahin Irfan、K. M. Daiyan、Sajid Hasan、Shante Hicks及MST Shamim Ara Shawkat共同完成。

3. 研究背景与技术挑战

3.1 SPAD技术发展现状
单光子雪崩二极管因其低噪声、高光子探测概率（PDP）和优异的时序性能，在光子计时与计数应用中备受关注。

商业CMOS技术的发展使SPADs能够与读出电路集成、实现微型化和高速探测，推动了量子成像等前沿应用的发展。

3.2 核心技术挑战
工作原理：SPAD工作于反向偏压且高于击穿电压状态。

单光子入射激发碰撞电离，触发载流子雪崩产生大电流，需前端电路快速猝灭以保护器件。

非理想效应：
．暗计数（Dark Count）：无光子入射时的虚假触发
．后脉冲效应（Afterpulsing）：雪崩过程中载流子被陷在晶格陷阱中心，随机释放后触发虚假雪崩

固有权衡矛盾：后脉冲可通过主动猝灭（AQ）加速猝灭过程、减少雪崩载流子来抑制，也可通过增加死区时间来降低。

但增加死区时间会降低最大计数率，因此PDE、最大计数率和后脉冲效应之间存在三方权衡。设计需具备死区时间动态调节能力以适应不同应用需求。

4. 创新解决方案：电路架构与设计思路

此研究提出的新型SPAD前端电路（图1）在标准180纳米CMOS工艺中实现，结合主动猝灭机制降低死区时间，同时提供灵活的死区时间调控能力。

4.1 核心功能特色
1.死区时间动态控制：集成截止时间和复位时间控制，允许根据应用在PDE、最大计数率与噪声间动态权衡
2.快速猝灭机制：通过感测晶体管MSensing实现快速探测与被动猝灭
3.智能信号处理：触发晶体管M_Trigger通知光子到达，复位晶体管MReset将SPAD恢复至初始状态

4.2 电路工作原理（图1、图2）
雪崩探测与猝灭流程：
1.感测与被动猝灭：光子入射触发雪崩电流，MSensing立即通过光电探测器实现被动猝灭

2.触发与信号传递：阳极电压上升至过量偏压水平，导通MTrigger（采用厚氧化层晶体管耐高压），将节点Q拉低至逻辑0

3.截止时间执行：由NOR门、施密特触发器和限流反相器（CSI）组成的反馈回路强制执行截止时间。节点P以时间常数τhold = Rhold × hold下降，通过控制Rhold和Chold（由MOSCAP实现）实现动态可调控设计

4.复位启动与结束：节点P下降导致节点R上升，导通MReset（宽度为20×Wmin，确保极低放电路径电阻）。

阳极电压快速放电后MTrigger关断，NOR门强制节点Q变为逻辑高。当节点P达到施密特触发器阈值后变为高电平，最终关断MReset，完成复位

5. 实验方法：仿真环境与参数探索

5.1 仿真平台
采用标准180纳米CMOS工艺实现前端电路，所有分析在Cadence Virtuoso环境中进行瞬态仿真，基于文献建立SPAD SPICE模型。

5.2 综合分析参数
为验证死区时间调控能力和稳健性，全面分析以下参数影响：
．温度：-40°C至150°C
．截止电容Chold：2 pF至24 pF
．制程角：TT、FS、SF、FF、SS五种组合
．晶体管尺寸：特别是施密特触发器中PMOS宽度

6. 研究成果：性能表征与稳健性验证

死区时间T_DEAD由猝灭时间、截止时间THold和复位时间TRESET组成。

6.1 时域特性表征（图2）

关键节点（阳极电压VAnode、节点P、Q、R）的瞬态仿真波形确认了电路正确操作。

在5V偏压下，猝灭转换仅需47.5 ps，最终复位仅需52 ps。

快速感测和猝灭机制结合缩短的死区时间，显著提升时序分辨率并最小化后脉冲效应。

6.2 制程角影响分析（图3）

关键发现：不同制程角下死区时间变化极小，强力证明了电路的稳健性和可靠性。

6.3 温度影响分析（图4）

在-40°C至150°C温度范围内：
．最低死区时间：-40°C时约1.9 ns
．最高死区时间：150°C时约2.5 ns
．总偏差：仅0.6 ns

机制分析：阳极电压上升沿（猝灭阶段）主要由SPAD固定寄生电容决定，受温度影响小。

下降转换（复位阶段）由M9和M10晶体管控制，温度升高导致NMOS导通电阻增加，节点P下降路径延迟变大，但整体影响可控。

6.4 Chold对死区时间的调控（图5）
截止电容Chold（2~24 pF）是关键调控参数：
．调控范围：死区时间从2 ns（2 pF）调整至6 ns（24 pF）
．机制：电容增加使节点P时间常数增大，延长截止时间
．设计权衡：Chold限制在24 pF以内（对应MOSCAP面积<20 μm²）保持面积效率，低于2 pF可能导致节点P转换过快产生逻辑错误

6.5 施密特触发器尺寸优化（图6）
改变施密特触发器内PMOS M1宽度（500 nm至300 μm）：
．调控范围：死区时间可在37.5 ns范围内变化
．最短死区时间：2.5 ns（M1宽度300 μm）
．最长死区时间：39 ns（M1宽度500 nm）

机制：M1宽度增加提高纵横比，降低施密特触发器上切换阈值，节点R可更早感测状态转换，大幅缩短截止时间。

6.6 性能对比（表I）

此研究在180纳米CMOS工艺中实现了2.12 ns最短标称死区时间和526 Mcps最高计数率，相较现有技术展现显著性能优势。

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7. 总结与展望

此研究成功设计并验证了基于商业180纳米CMOS工艺的SPAD前端电路，具有可调控死区时间和低噪声特性：

核心成果：
．灵活调控：通过Chold（MOSCAP实现）和施密特触发器尺寸提供死区时间动态调节
．优异性能：最佳死区时间1.9 ns，调控范围2.12~40 ns，对应最大计数率526~25 Mcps
．高度稳健：制程角和温度变化下均保持稳定性能
．噪声抑制：极快主动猝灭减少雪崩电流，最小化后脉冲效应
．高速响应：猝灭转换47.5 ps，复位时间52 ps

该电路结合快速感测猝灭与缩短死区时间，在量子成像等需要改进时序分辨率和灵敏度的应用中展现巨大潜力。

未来研究可进一步优化光学特性和噪声性能的实测表征。