蓋革模式雪崩光電二極管的場效應管淬滅電路設計

施向東，賴曉艷

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009）

0 引言

信息技術自20世紀70年代以來發展迅速，電子光學技術與信息通信、物理等學科交匯融合，使得許多有價值的新技術蓬勃發展，光子計數成像檢測技術就是其中之一[1]。光電探測器是光子計數成像檢測技術中非常重要的一部分。現今，使用最廣泛的光電探測器件主要為光電倍增管（photo multiplier tube，PMT）和雪崩光電二極管（Avalanche Photondiode，APD）[2]。其中APD 具有全固態結構，探測靈敏度高，在高增益狀態下信噪比仍然可以保持良好，故而在光子計數成像檢測領域被廣泛使用。

APD 是一種具有內光電效應的光電探測器，擁有放大內部增益的功能，當APD 工作在反偏電壓下時，反偏電壓越高，器件內部耗盡層中的電場強度會變得越大，電流增益也會變得越高，故而APD 的靈敏度也就越高[3]。在工作過程中，當光子進入到APD 后，因發生光電效應，APD 內部將會產生電荷載流子，產生的光生載流子在電場加速下可獲得充足的能量與原子晶格產生碰撞并產生電離效應，電離碰撞效應發生后，產生電子-空穴對，隨后產生的“電子-空穴對”在APD 內部耗盡層的電場下被極速分離，進而重復產生新的電離碰撞效應，如此重復，從而觸發載流子的雪崩效應，產生可觀的雪崩電流[3]。APD 有線性和蓋革兩種工作模式，如圖1所示。工作在蓋革模式下的 APD（Geiger Mode-Avalanche Photondiode，Gm-APD）反偏電壓高于雪崩電壓，這時單光子就可觸發APD 的雪崩效應并產生雪崩電流，具有極高的靈敏度。所以Gm-APD 在激光測距成像領域越來越受到重視。

圖1 APD 反偏電壓/電流關系圖Fig.1 APD inverse voltage/current diagram

當APD 工作于蓋革模式時，發生雪崩效應后器件內部的雪崩電流極高，如不及時降低將會有損壞器件的風險，所以需要有效的淬滅電路來進行雪崩電流的淬滅。因此，擁有一個快速、有效的淬滅電路顯得格外重要。

1964年，Haitz 等人在研究Gm-APD 的雪崩擊穿工作原理時，建立了Gm-APD 的電學模型，并提出設計了被動淬滅電路[4-5]。1975年，意大利米蘭理工大學的Cova 針對被動淬滅電路死時間過長的缺點，把Haitz 提出的被動淬滅電路進行了改進，提出設計了Gm-APD 的主動淬滅電路[6]。本文在此基礎上進行深一步研究，提出設計了一種場效應管淬滅電路（Field Effect Transistor Quenching Circuit），在淬滅速度和死時間方面有了顯著提升。

1 Gm-APD 模型的建立

1.1 Gm-APD 光子觸發模型

為了檢驗本文所設計淬滅電路的準確性、有效性，需要建立Gm-APD 的電學模型來模擬光子觸發的過程。本文采用意大利米蘭理工大學Haitz 等人所設計的Gm-APD 模型[7]，如圖2所示。V1代表Gm-APD的擊穿電壓，R1代表電荷區電阻，R2代表Gm-APD內部電阻，C1代表陽極到襯底的散雜電容，C2代表陰極到襯底的散雜電容。

使用Multisim 電路仿真軟件對Gm-APD 光子觸發模型進行仿真驗證，仿真結果如圖3所示。可以看到，此模型完整地呈現出了Gm-APD 由光子觸發并發生雪崩效應的工作模式，可以滿足進一步研究的需要。

1.2 被動淬滅電路及主動淬滅電路驗證

被動淬滅方式就是把一個大數值的電阻與Gm-APD 串聯，由于電阻的分壓原理可以使Gm-APD的雪崩電壓降低，使Gm-APD 的反偏電壓低于雪崩電壓，停止Gm-APD 內部電荷載流子以及電子-空穴對的快速產生，實現雪崩電壓的淬滅。使用Multisim 電路仿真軟件對被動淬滅電路以及Gm-APD 電學模型進行驗證，被動淬滅電路的原理圖如圖4所示。

圖2 Gm-APD 電學模型Fig.2 Gm-APD electrical model

圖3 Gm-APD 光子觸發模型仿真波形Fig.3 Gm-APD photon trigger model simulation waveform

圖4 Gm-APD 被動淬滅電路原理圖Fig.4 Gm-APDPassive quenching circuit schematic

淬滅時間可由公式(1)算出[8]：

根據公式(1)算出被動淬滅電路的淬滅時間大約為1.2 μs。用示波器觀察Gm-APD 雪崩電壓的變化，具體波形圖如圖5所示。可以觀察到此波形準確地呈現出了Gm-APD 先雪崩再淬滅這一過程，可以測出淬滅時間為1.231 μs，死時間為422.4 ns，和理論值相符。由此可看出前文所建立的Gm-APD 電學模型可以滿足后續測試的需求。

被動淬滅電路有一個缺陷，就是串聯的大數值淬滅電阻最大不能超過幾百kΩ，因為如果淬滅電阻過大，會造成Gm-APD 的死時間過長，導致無法快速進行下一次光子的探測。因此，被動淬滅電路的淬滅時間受到了限制，無法繼續降低，難以滿足快速檢測的應用需求。

為了克服被動淬滅電路的缺點，Cova 等人[6]在被動淬滅電路的基礎上設計了主動淬滅電路。主動淬滅方式就是在被動淬滅方式的基礎上增加了反饋的回路，并且通過控制開關來對雪崩電壓進行淬滅，主動淬滅電路的原理圖和仿真波形圖如圖6所示。通過仿真波形可看出主動淬滅方式的淬滅時間為52.2 ns，死時間為20 ns。

圖5 Gm-APD 被動淬滅電路雪崩電壓變化波形圖Fig.5 Gm-APD passive quenching circuit avalanche voltage change waveform

2 場效應管淬滅電路

本文在主動淬滅電路的基礎上進一步研究，利用場效應管的電壓控制特性，把主動與門控淬滅電路相結合，設計了一種場效應管淬滅電路，場效應管淬滅電路電路圖以及等效模型如圖7所示。

圖7 場效應管淬滅電路電路圖以及等效模型Fig.7 Circuit diagram and equivalent model of field effect transistor quenching circuit

本文所設計的場效應管淬滅電路在融合了被動淬滅電路的淬滅電阻以及主動淬滅電路的反饋回路的基礎上，通過加入場效應管，利用其電壓控制的功能，使淬滅時間以及死時間得到了進一步提高。在所設計的淬滅電路中，場效應管由于在柵極（G 管腳）接有負偏壓（－UG），在G 管腳的左近處構成耗盡層。當負偏壓（－UG）的絕對值增大時，耗盡層增大、溝道減小、漏極（D 管腳）的電流ID減小。當負偏壓（－UG）的絕對值減小時，耗盡層減小、溝道增大、漏極（D 管腳）電流ID增大。可見，漏極（D 管腳）的電流ID受柵極（G 管腳）的電壓控制，可看出場效應管是一種可以控制電壓的器件。利用場效應管可以控制電壓的特點設計出同時具有主動和門控特性的場效應管淬滅電路。本次設計所使用的是增強型N 溝道的MOS 場效應管，由圖7(a)看出，控制電壓和參考電壓分別從電壓比較器（采用LM358 電壓比較器）的同相輸入端和反相輸入端進入，電壓比較器的電源接正12 V 和地，電壓比較器的輸出經過上拉電阻上拉后接場效應管的G 管腳，如果控制電壓比參考電壓高，則控制場效應管管導通輸出電流。此時如果Gm-APD 雪崩產生雪崩電流（通過比較器鑒別是否發生雪崩），則通過場效應管控制電壓降低，達到雪崩淬滅的作用。淬滅時間可由如公式(2)算出：

場效應管淬滅電路的等效模型如圖7(b)所示，當Gm-APD 接收到光子后，因光電效應而產生的電荷載流子在電場的加速下碰撞產生電子-空穴對，發生雪崩效應、電壓急劇升高，通過與參考電壓通過電壓比較器，鑒別出確實發生雪崩效應，然后由場效應管控制電壓降低，實現雪崩淬滅。使用Multisim 電路仿真軟件進行仿真驗證，此過程Gm-APD 的輸出波形如圖8所示。

圖8 Gm-APD 場效應管淬滅電路雪崩電壓變化波形圖Fig.8 Gm-APD field effect transistor quenching circuit avalanche voltage change waveform

由圖8 可得，本文所設計的場效應管淬滅電路的淬滅時間為21.026 ns，死時間為16.5 ns，與理論值相符。與常用的被動、主動淬滅方式的淬滅時間相比較，如表1所示，淬滅時間以及死時間顯著縮短。

表1 淬滅時間比較Table 1 Quenching time comparison

3 結論

本文建立了Gm-APD 的電學模型，在此基礎上設計并仿真驗證了場效應管淬滅電路，成功實現了對發生雪崩效應的Gm-APD 的快速淬滅。結果表明，本文所設計的場效應管淬滅電路較現今常用的被動、主動淬滅方式的淬滅時間以及死時間顯著縮短，分別可達21.026 ns 和16.5 ns，滿足激光測距、成像的實用化需求。