SPADEinzelphotonen-Lawinenfotodetektor
Als SPAD-Fotodetektoren erstmals eingeführt wurden, kamen sie hauptsächlich bei schwachem Licht zum Einsatz. Mit der Weiterentwicklung ihrer Leistungsfähigkeit und der Veränderung der Anforderungen an die Szenen,SPAD-FotodetektorSensoren finden zunehmend Anwendung in Konsumgüterbereichen wie Fahrzeugradaren, Robotern und unbemannten Luftfahrzeugen. Dank seiner hohen Empfindlichkeit und seines geringen Rauschens hat sich der SPAD-Fotodetektor als ideale Wahl für hochpräzise Tiefenwahrnehmung und Bildgebung bei schwachem Licht etabliert.
Im Gegensatz zu herkömmlichen CMOS-Bildsensoren (CIS) auf Basis von PN-Übergängen besteht die Kernstruktur eines SPAD-Photodetektors aus einer Lawinendiode im Geiger-Modus. Physikalisch betrachtet ist die Komplexität eines SPAD-Photodetektors deutlich höher als die von PN-Übergangsbauelementen. Dies zeigt sich vor allem darin, dass unter hoher Sperrspannung vermehrt Probleme wie die Injektion unausgewogener Ladungsträger, thermische Elektroneneffekte und durch Defektzustände begünstigte Tunnelströme auftreten können. Diese Eigenschaften stellen erhebliche Herausforderungen an Design, Prozessentwicklung und Schaltungsarchitektur.
Gemeinsame Leistungsparameter vonSPAD-LawinenfotodetektorZu den Parametern gehören Pixelgröße, Dunkelzählrate (DCR), Lichtdetektionswahrscheinlichkeit (PDE), Totzeit und Ansprechzeit. Diese Parameter beeinflussen direkt die Leistung des SPAD-Lawinenphotodetektors. Beispielsweise ist die Dunkelzählrate (DCR) ein Schlüsselparameter zur Bestimmung des Detektorrauschens, und der SPAD muss eine Vorspannung oberhalb der Durchbruchspannung aufrechterhalten, um als Einzelphotonendetektor zu funktionieren. Die Lichtdetektionswahrscheinlichkeit (PDE) bestimmt die Empfindlichkeit des SPAD.LawinenfotodetektorSie wird von der Intensität und Verteilung des elektrischen Feldes beeinflusst. Darüber hinaus bezeichnet die Totzeit die Zeit, die der SPAD nach der Auslösung benötigt, um in seinen Ausgangszustand zurückzukehren, was die maximale Photonendetektionsrate und den Dynamikbereich beeinflusst.
Bei der Leistungsoptimierung von SPAD-Bauelementen stellt die Wechselwirkung zwischen den zentralen Leistungsparametern eine große Herausforderung dar: Beispielsweise führt die Miniaturisierung von Pixeln direkt zu einer Dämpfung der Photonenemissionsenergie (PDE), und die durch die Miniaturisierung bedingte Konzentration elektrischer Felder an den Rändern verursacht einen starken Anstieg des Dunkelstromverhältnisses (DCR). Eine Reduzierung der Totzeit führt zu Nachimpulsrauschen und verschlechtert die Genauigkeit des Zeitjitters. Moderne Lösungen erzielen durch Methoden wie DTI/Schutzschleifen (zur Unterdrückung von Übersprechen und Reduzierung des DCR), optische Pixeloptimierung, die Einführung neuer Materialien (z. B. SiGe-Lawinenschicht zur Verbesserung der Infrarotempfindlichkeit) und dreidimensional gestapelte aktive Löschschaltungen einen gewissen Grad an kollaborativer Optimierung.
Veröffentlichungsdatum: 23. Juli 2025