31215

مدلسازي و طراحي مدار باياس آشكارساز تك فوتون مبتني بر ديود

كارشناسي ارشد

مهندسي برق الكترونيك - افزاره هاي ميكرو و نانو الكترونيك

1398

1402/06/28

دكتر محمد عظيم كرمي

دكتر ستار ميرزاكوچكي

مهندسي برق

آشكارساز هاي تك فوتوني مبتني بر ديود بهمني(SPAD) از يك پيوند p-n ساخته ميشوند و در حالتي راه اندازي مي شوند كه به آن حالت گايگر مي گويند كه در آن ولتاژ باياسي بيشتر از ولتاژ شكست بهمني ديود اعمال مي شود. ولتاژ شكست بهمني در SPAD ها بسيار مهم هستند زيرا با تغيير اين ولتاژ، ولتاژ باياس اضافي تغيير ميكند و معيار هاي عملكرد SPAD مانند بازده آشكارسازي فوتون ، نرخ شمارش تاريكي ، جيتر و پس پالس دچار تغييرات زيادي ميشوند. بنابراين دانستن مقدار ولتاژ شكست بهمني در شرايط مختلف مهم است. روش هاي مختلفي براي اندازه گيري ولتاژ شكست بهمني وجود دارد مانند رسم مجانب خطي بر روي منحني I-V، روش جاروب و كاستن، رسم مجانب خطي بر روي منحني نرخ شمارش تاريكي(DCR). عوامل مختلفي مانند دما، تشعشعات يونيزه كننده و عمر عملكرد بر ولتاژ شكست بهمني دستگاه تاثير ميگذارند و باعث تغيير مقدار آن ميشوند. در اين پايان نامه با استفاده از روش رسم مجانب خطي بر روي منحني DCR با برون يابي خطي از نمودار ولتاژ باياس برحسب DCR ، رابطه اي براي ولتاژ شكست بهمني ميابيم و سپس با استفاده از آن، مدار كنترل كننده باياس SPAD به منظور ايجاد باياس اضافي ثابت در برابر تغييرات محيطي را در فناوري TSMC CMOS 180 nm 1.8 V به صورت يكپارچه ارائه ميكنيم. اين سيستم تغييرات ولتاژ شكست بهمني را به صورت بلادرنگ محاسبه ميكند و با اعمال آن به SPAD هاي آرايه با روش هايي كه مطرح ميشود باعث جبرانساري ولتاژ باياس آن ها ميشود. مدار طراحي شده شامل يك مدار ديجيتال به منظور ذخيره DCR و انجام محاسبات روي آن به همراه يك تبديل كننده ديجيتال به آنالوگ (DAC) جرياني براي تبديل مقدار تغييرات ولتاژ شكست بهمني محاسبه شده ميباشد. زمان عملكرد سيستم 200 ms ميباشد. خطاي اندازه گيري آن بطور ميانگيت 2.2 تا 3.2 درصد است و توان مصرفي آن 23.4 uW ميباشد.

1403/06/28

Modeling and Design of Single Photon Avalanche Diode Bias Circuit

9/18/2024 12:00:00 AM

Single-photon avalanche diode (SPAD) detectors are made of a p-n junction and are operated in a state called Geiger mode, where a bias voltage greater than the avalanche breakdown voltage of the diode is applied. Avalanche breakdown voltages are very important in SPADs because by changing this voltage, the exces bias voltage changes and SPAD performance parameters such as photon detection efficiency, dark count rate, jitter, and afterpulse change a lot. Therefore, it is important to know the value of avalanche breakdown voltage in different conditions. There are different methods for measuring the avalanche breakdown voltage, such as drawing a linear asymptote on the I-V curve, sweeping and substract method, drawing a linear asymptote on the dark count rate (DCR) curve. Various factors such as temperature, ionizing radiation and service life affect the avalanche breakdown voltage of the device and cause its value to change. In this thesis, by using the method of drawing a linear asymptote on the DCR curve with linear extrapolation from the bias voltage diagram in terms of DCR, we find a relationship for the avalanche breakdown voltage, and then using it, the SPAD bias controller circuit in order to create additional bias We offer stable against environmental changes in TSMC CMOS 180 nM 1.8 V technology. This system calculates the avalanche breakdown voltage changes in real time and by applying it to the SPADs of the array with the proposed methods, it compensates their bias voltage. The designed circuit includes a digital circuit to store DCR and perform calculations on it along with a current digital to analog converter (DAC) to convert the amount of calculated avalanche breakdown voltage changes. The operating time of the system is 200 ms. Its measurement error is on average 2.2 to 3.2% and its power consumption is 23.4 uW.

آشكارساز هاي تك فوتوني مبتني بر ديود بهمني، ولتاژ باياس اضافي، نرخ شمارش تاريكي، مدار كنترل كننده باياس آشكارساز تك فوتون مبتني بر ديود بهمني.

Single photon avalanche diode, Exces bias voltage, Dark count rate, Single photon avalanche diode Bias Voltage Controller Circuit.

Ali Adamifard

D.R. Mohammad Azim Karami