SPADphotodétecteur à avalanche à photon unique
Lors de leur introduction, les capteurs photodétecteurs SPAD étaient principalement utilisés dans des scénarios de détection en faible luminosité. Cependant, avec l'évolution de leurs performances et le développement des exigences des scènes d'utilisation,photodétecteur SPADLes capteurs sont de plus en plus utilisés dans des applications grand public telles que les radars automobiles, les robots et les drones. Grâce à sa haute sensibilité et à son faible niveau de bruit, le photodétecteur SPAD est devenu un choix idéal pour obtenir une perception de la profondeur de haute précision et une imagerie en faible luminosité.
Contrairement aux capteurs d'image CMOS (CIS) traditionnels basés sur des jonctions PN, la structure de base d'un photodétecteur SPAD est une diode à avalanche fonctionnant en mode Geiger. Du point de vue des mécanismes physiques, la complexité d'un photodétecteur SPAD est nettement supérieure à celle des dispositifs à jonction PN. Ceci se traduit principalement par une plus grande susceptibilité, sous forte polarisation inverse, à des problèmes tels que l'injection de porteurs déséquilibrés, les effets thermiques des électrons et les courants tunnel induits par des défauts. Ces caractéristiques engendrent des défis importants en matière de conception, de fabrication et d'architecture de circuit.
Paramètres de performance communs dedétecteur de photodétecteurs d'avalanches SPADLes paramètres suivants influencent directement les performances du photodétecteur à avalanche SPAD : la taille des pixels, le bruit de comptage d'obscurité (DCR), la probabilité de détection de la lumière (PDE), le temps mort et le temps de réponse. Par exemple, le taux de comptage d'obscurité (DCR) est un paramètre clé pour définir le bruit du détecteur, et le SPAD doit maintenir une tension de polarisation supérieure à la tension de claquage pour fonctionner comme un détecteur de photons uniques. La probabilité de détection de la lumière (PDE) détermine la sensibilité du SPAD.photodétecteur d'avalancheElle est influencée par l'intensité et la distribution du champ électrique. De plus, le temps mort correspond au temps nécessaire au SPAD pour revenir à son état initial après déclenchement, ce qui influe sur le taux de détection maximal de photons et la plage dynamique.
L'optimisation des performances des dispositifs SPAD se heurte à la difficulté majeure de gérer les contraintes entre leurs paramètres principaux : par exemple, la miniaturisation des pixels entraîne une atténuation de l'énergie potentielle de décharge (PDE), et la concentration des champs électriques en bordure, induite par cette miniaturisation, provoque une forte augmentation du taux de coupure (DCR). La réduction du temps mort génère du bruit post-impulsionnel et dégrade la précision de la gigue temporelle. Les solutions les plus récentes permettent une optimisation collaborative grâce à des méthodes telles que la boucle de protection DTI (suppression de la diaphonie et réduction du DCR), l'optimisation optique des pixels, l'introduction de nouveaux matériaux (couche d'avalanche SiGe améliorant la réponse infrarouge) et les circuits d'extinction actifs empilés tridimensionnels.
Date de publication : 23 juillet 2025