基于雪崩二極管的QVGA圖像傳感器

文中介紹了基于單光子雪崩二 極 管 （SPAD） 的 QVGA（QuarterVGA即四分之一VGA顯示器）圖像傳感器，該傳感器具有8μm像素間距和26.8%填充因子（FF），適用于極弱光下成像。

單光子雪崩二極管（SPAD）傳感器可捕獲具有單光子敏感度和皮秒時(shí)間分辨率的光信號(hào)，是一種利用雪崩效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度探測(cè)器。盡管單個(gè)SPAD器件只有單光子靈敏度，但通過(guò)多個(gè)SPAD器件進(jìn)行擴(kuò)展，可得到具有足夠分辨率和填充因子（FF）的SPAD傳感器。同時(shí)，通過(guò)增加像素轉(zhuǎn)換增益和優(yōu)化的讀出方式，降低了讀取噪聲。文中，通過(guò)試驗(yàn)證明了SPAD器件可通過(guò)組合，達(dá)到高分辨率、高FF。

目前存在多種SPAD傳感器架構(gòu)，有多種分辨率形式（單點(diǎn)檢測(cè)器、線傳感器、大陣列光電倍增管和圖像傳感器）。文中介紹了三種SPAD圖像傳感器：①全數(shù)字模式（SPAD通過(guò)逆變器連接，每個(gè)光子表示為數(shù)字脈沖，用二進(jìn)制數(shù)表示每一個(gè)像素的色彩和亮度；②單位存儲(chǔ)模式：每次存儲(chǔ)一個(gè)像素，需要多次存儲(chǔ)最終獲得完整圖像；③模擬像素模式：用電壓值的高低來(lái)模擬每一個(gè)像素的色彩和亮度。

研究表明，采用模擬像素模式的SPAD圖像傳感器布局緊湊，是目前像素及FF最高的SPAD圖像傳感器，其像素可擴(kuò)展的到百萬(wàn)。隨著工藝水平的不斷進(jìn)步，單光子雪崩二極管的性能指標(biāo)會(huì)不斷提高，基于雪崩二極管的QVGA圖像傳感器也會(huì)得到不斷發(fā)展。

刊名：IEEE Transactions on Electron Devices（英）

刊期：2016年第1期

作者：Neale A.W.Dutton

編譯：徐嘉浩