施向東，賴曉艷

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009）

0 引言

信息技術(shù)自20世紀(jì)70年代以來(lái)發(fā)展迅速，電子光學(xué)技術(shù)與信息通信、物理等學(xué)科交匯融合，使得許多有價(jià)值的新技術(shù)蓬勃發(fā)展，光子計(jì)數(shù)成像檢測(cè)技術(shù)就是其中之一[1]。光電探測(cè)器是光子計(jì)數(shù)成像檢測(cè)技術(shù)中非常重要的一部分?，F(xiàn)今，使用最廣泛的光電探測(cè)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(tài)結(jié)構(gòu)，探測(cè)靈敏度高，在高增益狀態(tài)下信噪比仍然可以保持良好，故而在光子計(jì)數(shù)成像檢測(cè)領(lǐng)域被廣泛使用。

APD 是一種具有內(nèi)光電效應(yīng)的光電探測(cè)器，擁有放大內(nèi)部增益的功能，當(dāng)APD 工作在反偏電壓下時(shí)，反偏電壓越高，器件內(nèi)部耗盡層中的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)變得越大，電流增益也會(huì)變得越高，故而APD 的靈敏度也就越高[3]。在工作過(guò)程中，當(dāng)光子進(jìn)入到APD 后，因發(fā)生光電效應(yīng)，APD 內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生電荷載流子，產(chǎn)生的光生載流子在電場(chǎng)加速下可獲得充足的能量與原子晶格產(chǎn)生碰撞并產(chǎn)生電離效應(yīng)，電離碰撞效應(yīng)發(fā)生后，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，隨后產(chǎn)生的“電子-空穴對(duì)”在APD 內(nèi)部耗盡層的電場(chǎng)下被極速分離，進(jìn)而重復(fù)產(chǎn)生新的電離碰撞效應(yīng)，如此重復(fù)，從而觸發(fā)載流子的雪崩效應(yīng)，產(chǎn)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(shí)單光子就可觸發(fā)APD 的雪崩效應(yīng)并產(chǎn)生雪崩電流，具有極高的靈敏度。所以Gm-APD 在激光測(cè)距成像領(lǐng)域越來(lái)越受到重視。

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

當(dāng)APD 工作于蓋革模式時(shí)，發(fā)生雪崩效應(yīng)后器件內(nèi)部的雪崩電流極高，如不及時(shí)降低將會(huì)有損壞器件的風(fēng)險(xiǎn)，所以需要有效的淬滅電路來(lái)進(jìn)行雪崩電流的淬滅。因此，擁有一個(gè)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(shí)，建立了Gm-APD 的電學(xué)模型，并提出設(shè)計(jì)了被動(dòng)淬滅電路[4-5]。1975年，意大利米蘭理工大學(xué)的Cova 針對(duì)被動(dòng)淬滅電路死時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，把Haitz 提出的被動(dòng)淬滅電路進(jìn)行了改進(jìn)，提出設(shè)計(jì)了Gm-APD 的主動(dòng)淬滅電路[6]。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深一步研究，提出設(shè)計(jì)了一種場(chǎng)效應(yīng)管淬滅電路（Field Effect Transistor Quenching Circuit），在淬滅速度和死時(shí)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(fā)模型

為了檢驗(yàn)本文所設(shè)計(jì)淬滅電路的準(zhǔn)確性、有效性，需要建立Gm-APD 的電學(xué)模型來(lái)模擬光子觸發(fā)的過(guò)程。本文采用意大利米蘭理工大學(xué)Haitz 等人所設(shè)計(jì)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(qū)電阻，R2代表Gm-APD內(nèi)部電阻，C1代表陽(yáng)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(duì)Gm-APD 光子觸發(fā)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖3所示?？梢钥吹?，此模型完整地呈現(xiàn)出了Gm-APD 由光子觸發(fā)并發(fā)生雪崩效應(yīng)的工作模式，可以滿足進(jìn)一步研究的需要。

1.2 被動(dòng)淬滅電路及主動(dòng)淬滅電路驗(yàn)證

被動(dòng)淬滅方式就是把一個(gè)大數(shù)值的電阻與Gm-APD 串聯(lián)，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(nèi)部電荷載流子以及電子-空穴對(duì)的快速產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)雪崩電壓的淬滅。使用Multisim 電路仿真軟件對(duì)被動(dòng)淬滅電路以及Gm-APD 電學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，被動(dòng)淬滅電路的原理圖如圖4所示。

圖2 Gm-APD 電學(xué)模型Fig.2 Gm-APD electrical model

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

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

淬滅時(shí)間可由公式(1)算出[8]：

根據(jù)公式(1)算出被動(dòng)淬滅電路的淬滅時(shí)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?？梢杂^察到此波形準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出了Gm-APD 先雪崩再淬滅這一過(guò)程，可以測(cè)出淬滅時(shí)間為1.231 μs，死時(shí)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(xué)模型可以滿足后續(xù)測(cè)試的需求。

被動(dòng)淬滅電路有一個(gè)缺陷，就是串聯(lián)的大數(shù)值淬滅電阻最大不能超過(guò)幾百kΩ，因?yàn)槿绻銣珉娮柽^(guò)大，會(huì)造成Gm-APD 的死時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致無(wú)法快速進(jìn)行下一次光子的探測(cè)。因此，被動(dòng)淬滅電路的淬滅時(shí)間受到了限制，無(wú)法繼續(xù)降低，難以滿足快速檢測(cè)的應(yīng)用需求。

為了克服被動(dòng)淬滅電路的缺點(diǎn)，Cova 等人[6]在被動(dòng)淬滅電路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了主動(dòng)淬滅電路。主動(dòng)淬滅方式就是在被動(dòng)淬滅方式的基礎(chǔ)上增加了反饋的回路，并且通過(guò)控制開關(guān)來(lái)對(duì)雪崩電壓進(jìn)行淬滅，主動(dòng)淬滅電路的原理圖和仿真波形圖如圖6所示。通過(guò)仿真波形可看出主動(dòng)淬滅方式的淬滅時(shí)間為52.2 ns，死時(shí)間為20 ns。

圖5 Gm-APD 被動(dòng)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(chǎng)效應(yīng)管淬滅電路

本文在主動(dòng)淬滅電路的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究，利用場(chǎng)效應(yīng)管的電壓控制特性，把主動(dòng)與門控淬滅電路相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種場(chǎng)效應(yīng)管淬滅電路，場(chǎng)效應(yīng)管淬滅電路電路圖以及等效模型如圖7所示。

圖7 場(chǎng)效應(yīng)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(shè)計(jì)的場(chǎng)效應(yīng)管淬滅電路在融合了被動(dòng)淬滅電路的淬滅電阻以及主動(dòng)淬滅電路的反饋回路的基礎(chǔ)上，通過(guò)加入場(chǎng)效應(yīng)管，利用其電壓控制的功能，使淬滅時(shí)間以及死時(shí)間得到了進(jìn)一步提高。在所設(shè)計(jì)的淬滅電路中，場(chǎng)效應(yīng)管由于在柵極（G 管腳）接有負(fù)偏壓（－UG），在G 管腳的左近處構(gòu)成耗盡層。當(dāng)負(fù)偏壓（－UG）的絕對(duì)值增大時(shí)，耗盡層增大、溝道減小、漏極（D 管腳）的電流ID減小。當(dāng)負(fù)偏壓（－UG）的絕對(duì)值減小時(shí)，耗盡層減小、溝道增大、漏極（D 管腳）電流ID增大?？梢?jiàn)，漏極（D 管腳）的電流ID受柵極（G 管腳）的電壓控制，可看出場(chǎng)效應(yīng)管是一種可以控制電壓的器件。利用場(chǎng)效應(yīng)管可以控制電壓的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出同時(shí)具有主動(dòng)和門控特性的場(chǎng)效應(yīng)管淬滅電路。本次設(shè)計(jì)所使用的是增強(qiáng)型N 溝道的MOS 場(chǎng)效應(yīng)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(jìn)入，電壓比較器的電源接正12 V 和地，電壓比較器的輸出經(jīng)過(guò)上拉電阻上拉后接場(chǎng)效應(yīng)管的G 管腳，如果控制電壓比參考電壓高，則控制場(chǎng)效應(yīng)管管導(dǎo)通輸出電流。此時(shí)如果Gm-APD 雪崩產(chǎn)生雪崩電流（通過(guò)比較器鑒別是否發(fā)生雪崩），則通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管控制電壓降低，達(dá)到雪崩淬滅的作用。淬滅時(shí)間可由如公式(2)算出：

場(chǎng)效應(yīng)管淬滅電路的等效模型如圖7(b)所示，當(dāng)Gm-APD 接收到光子后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生的電荷載流子在電場(chǎng)的加速下碰撞產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，發(fā)生雪崩效應(yīng)、電壓急劇升高，通過(guò)與參考電壓通過(guò)電壓比較器，鑒別出確實(shí)發(fā)生雪崩效應(yīng)，然后由場(chǎng)效應(yīng)管控制電壓降低，實(shí)現(xiàn)雪崩淬滅。使用Multisim 電路仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，此過(guò)程Gm-APD 的輸出波形如圖8所示。

圖8 Gm-APD 場(chǎng)效應(yīng)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(shè)計(jì)的場(chǎng)效應(yīng)管淬滅電路的淬滅時(shí)間為21.026 ns，死時(shí)間為16.5 ns，與理論值相符。與常用的被動(dòng)、主動(dòng)淬滅方式的淬滅時(shí)間相比較，如表1所示，淬滅時(shí)間以及死時(shí)間顯著縮短。

表1 淬滅時(shí)間比較Table 1 Quenching time comparison

3 結(jié)論

本文建立了Gm-APD 的電學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并仿真驗(yàn)證了場(chǎng)效應(yīng)管淬滅電路，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)生雪崩效應(yīng)的Gm-APD 的快速淬滅。結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的場(chǎng)效應(yīng)管淬滅電路較現(xiàn)今常用的被動(dòng)、主動(dòng)淬滅方式的淬滅時(shí)間以及死時(shí)間顯著縮短，分別可達(dá)21.026 ns 和16.5 ns，滿足激光測(cè)距、成像的實(shí)用化需求。