גלאי פוטופוטוני מפולת שלגים של SPAD

SPADגלאי פוטו-פוטון יחיד של מפולת שלגים

כאשר חיישני גלאי אור SPAD הוצגו לראשונה, הם שימשו בעיקר בתרחישי גילוי של תאורה חלשה. עם זאת, עם התפתחות הביצועים שלהם ופיתוח דרישות הסצנה,גלאי פוטואודי SPADחיישנים מיושמים יותר ויותר בתרחישי צריכה כגון מכ"מים לרכב, רובוטים וכלי טיס בלתי מאוישים. בשל רגישותו הגבוהה ומאפייני הרעש הנמוכים שלו, חיישן גלאי הפוטואלקטרי SPAD הפך לבחירה אידיאלית להשגת תפיסת עומק מדויקת וצילום בתאורה חלשה.

בניגוד לחיישני תמונה CMOS (CIS) מסורתיים המבוססים על צומת PN, מבנה הליבה של גלאי הפוטו SPAD הוא דיודת מפולת הפועלת במצב גייגר. מנקודת מבט של מנגנונים פיזיקליים, מורכבות גלאי הפוטו SPAD גבוהה משמעותית מזו של התקני צומת PN. הדבר בא לידי ביטוי בעיקר בעובדה שתחת הטיה הפוכה גבוהה, סביר יותר שהוא יגרום לבעיות כגון הזרקת נושאי מטען לא מאוזנים, אפקטים של אלקטרונים תרמיים וזרמי מנהור בסיוע מצבי פגם. מאפיינים אלה מעמידים אותו בפני אתגרים חמורים ברמות התכנון, התהליך וארכיטקטורת המעגל.

פרמטרי ביצועים נפוצים שלגלאי פוטו של מפולת שלגים של SPADכולל גודל פיקסל (Pixel Size), רעש ספירת חושך (DCR), הסתברות גילוי אור (PDE), זמן מת (DeadTime) וזמן תגובה (Response Time). פרמטרים אלה משפיעים ישירות על ביצועי גלאי הפוטואלקטרי SPAD. לדוגמה, קצב ספירת החושך (DCR) הוא פרמטר מפתח להגדרת רעש הגלאי, וה-SPAD צריך לשמור על הטיה גבוהה מההתפרקות כדי לתפקד כגלאי פוטון יחיד. הסתברות גילוי האור (PDE) קובעת את הרגישות של SPAD.גלאי פוטו של מפולת שלגיםומושפע מעוצמת השדה החשמלי ומהתפלגותו. בנוסף, זמן המתים הוא הזמן הנדרש לחזרת ה-SPAD למצבו ההתחלתי לאחר הפעלתו, דבר המשפיע על קצב גילוי הפוטונים המרבי ועל טווח הדינמיקה.

באופטימיזציית הביצועים של התקני SPAD, יחסי האילוצים בין פרמטרי ביצועי הליבה מהווים אתגר מרכזי: לדוגמה, מזעור פיקסלים מוביל ישירות לדעיכה של PDE, וריכוז השדות החשמליים בקצה הנגרם כתוצאה ממזעור גודל יגרום גם הוא לעלייה חדה ב-DCR. צמצום הזמן המת יגרום לרעש לאחר הדחף ותפגע בדיוק הריצוד בזמן. כעת, הפתרון המתקדם השיג מידה מסוימת של אופטימיזציה שיתופית באמצעות שיטות כגון DTI/לולאת הגנה (דיכוי קרוסטוק והפחתת DCR), אופטימיזציה אופטית של פיקסלים, הכנסת חומרים חדשים (שכבת מפולת SiGe המשפרת את תגובת האינפרא אדום), ומעגלי כיבוי פעילים תלת-ממדיים מוערמים.