CN211044058U - 控制跨单光子雪崩二极管施加的电压的装置和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及控制跨单光子雪崩二极管施加的电压的装置和电子设备。在本实用新型的实施例中，一种用于控制跨单光子雪崩二极管的电压的方法包括：基于穿过单光子雪崩二极管流动的电流提供输出；以及基于所提供的输出，控制跨单光子雪崩二极管施加的电压。

Description

控制跨单光子雪崩二极管施加的电压的装置和电子设备
技术领域
本公开总体上涉及电子***，并且在特定的实施例中，涉及一种用于控制施加至单光子雪崩二极管(SPAD)的电压的装置。
背景技术
单光子雪崩二极管(SPAD)是能够检测光的半导体设备。撞击在SPAD的检测区域上的光子经由光电效应生成电子和空穴对。SPAD利用高电压幅度被反向偏置(reverse-biased)，使得当电子/空穴载流子被生成时，跨检测区域施加的电场根据所施加的场的强度和方向，引起载流子被加速到相对高的速度。如果被加速的载流子的动能是足够的，附加的载流子将从半导体晶格中被生成，其转而由场被加速，并且可以在指数增长的方式中进一步释放更多的载流子。因此，当跨检测区域被施加了足够高的电场时，单个撞击光子可以生成载流子的雪崩，导致输出电流“脉冲”，其中电流输出与检测到的光子数成正比。
引起载流子的雪崩、并且因此允许设备如SPAD地操作的最小电压被称为击穿电压。如果跨SPAD施加的电压太低，(即，在击穿电压之下)则设备不能产生任何输出。然而，如果跨SPAD施加的电压太高，则甚至在没有光子撞击在SPAD上时，生成的电场就可以足够以引起载流子雪崩也是可能的，这导致错误的输出电流。该错误的输出被称为“暗电流”。
实用新型内容
为了解决以上技术问题，本实用新型提供一种控制跨单光子雪崩二极管施加的电压的装置和电子设备。
根据一个方面，提供了一种控制跨单光子雪崩二极管施加的电压的装置，包括测量电路，被配置为基于穿过单光子雪崩二极管流动的电流来提供输出；以及电压设置电路，被配置为基于提供的输出，控制跨单光子雪崩二极管施加的电压。
在一些实施例中，提供的输出包括电流。
在一些实施例中，电压设置电路被配置为当提供的输出满足条件时，通过设定的电压调整跨单光子雪崩二极管施加的当前电压。
在一些实施例中，电压设置电路被配置为响应于输出和阈值的比较，控制跨单光子雪崩二极管施加的电压。
在一些实施例中，电压设置电路被配置为：控制跨单光子雪崩二极管的电压，使得电压大于在单光子雪崩二极管的正常操作中使用的电压或者小于在单光子雪崩二极管的正常操作中使用的电压；以及响应于提供的输出，调整跨单光子雪崩二极管的电压。
在一些实施例中，还包括被配置为将提供的输出与阈值电流进行比较的电流比较器。
在一些实施例中，测量电路包括电流镜，电流镜被耦合在电流比较器的输入与单光子雪崩二极管之间。
在一些实施例中，电流镜包括第一晶体管和第二晶体管，以及其中测量电路还包括运算放大器，运算放大器具有耦合到第一晶体管和第二晶体管的控制端子的输出、耦合到单光子雪崩二极管的第一输入、以及被配置为接收参考电压的第二输入。
在一些实施例中，电压设置电路被配置为基于提供的输出，控制单光子雪崩二极管的阴极电压。
根据一个方面，提供了一种电子设备，包括：多个单光子雪崩二极管；测量电路，被配置为基于穿过多个单光子雪崩二极管中的第一单光子雪崩二极管流动的电流来提供输出；以及电压设置电路，被配置为基于提供的输出，控制跨第一单光子雪崩二极管施加的电压。
在一些实施例中，电压设置电路被配置为基于提供的输出，控制跨多个单光子雪崩二极管中的第二单光子雪崩二极管施加的电压。
本实用新型可以实现有益的技术效果。
附图说明
图1示出了通常的SPAD电路的示例；
图2示出了根据施加到SPAD的电压偏置而流过SPAD的电流的图；
图3A和图3B示出了用于测量来自SPAD的电流并且控制施加到SPAD的电压偏置的一些实施例的示例电路；
图4和图5示出了根据一些实施例的用于设置SPAD电压的操作的流程图；
图6示出了结合参考光路的示例LIDAR***的表示；以及
图7示出了根据一些实施例的装置的表示。
具体实施方式
一些实施例可以提供用于控制跨SPAD施加的电压的电路***。为了帮助对本文所描述的一些实施例的理解，在图1中示出了通常的SPAD电路的表示。
在操作中，电压VHV 100可以被施加到SPAD 102的阴极。阳极经由电阻器104被连接到地，并且被连接到比较器106的输入端子。当光子撞击在SPAD 102的检测区域上时，电流在SPAD中被生成，并且电子在SPAD的阳极处被收集。电流可以被输出到比较器106。如果被生成的电流在阈值之上，则输出脉冲由比较器生成，从而指示光子的检测。电路还可以包括用于重置SPAD准备下一检测事件的重置电路***(未示出)。在SPAD检测事件之后，当阳极电压增加以减少穿过SPAD流动的电流时，阳极可以经由电阻器被放电至地。电阻器可以由具有固定栅极偏置的金属氧化物半导体(MOS)设备代替。利用具有固定偏置的电阻器或MOS，SPAD被称为在有源充电模式中操作。
SPAD电路还可以包括到阳极上的正电压的开关，允许跨SPAD的电压被减少，从而将SPAD带出雪崩区域。
为了更好地图示SPAD的操作，现将参考图2。
图2示出了根据跨SPAD施加的电压而流过SPAD的电流的表示。如在图2中通过平线区域200被表示的，初始地，当存在零电压差时，不存在流动的电流。
随着在阴极和阳极之间的电压差的幅度的增加(即电压变得更负)，电压差到达初始值202，在初始值202处，二极管将开始传导并且电流将开始流动。这被称为击穿电压，VBD。
随着被施加的电压变得更负，电压达到了表示最小电压的值，当光子撞击在SPAD上时，最小电压引起输出脉冲被生成。这是加速光生载流子足以在SPAD内引起雪崩所需的电压差。这是最小操作电压204，VHVo。
随后电压差可以相对于值206变得更负，值206表示SPAD的操作电压，该操作电压具有足够的幅度，以便生成通过SPAD简单地可检测的电流，并且触发输出脉冲。
然而，如果电压变为过于负(即，电压幅度变为过高)，则所施加的电场可以达到使电子-空穴对自发地被生成的值(即，不需要设备接收光子)，从而引起暗电流。
在一些应用中，诸如光学通信或光检测、以及测距(LIDAR)的设备包括光发射器和SPAD检测器两者。例如，光发射器可以是竖直腔室表面发射激光器(VCSEL)。其他实施例可以使用其他适合的光源。
在LIDAR***的示例中，光可以通过VCSEL被发射。当被发射的光达到设备的视场内的目标时，该光的一部分可以被反射回SPAD检测器。如果施加到SPAD的电压过低，则不能确定没有接受到光是由于SPAD被不当偏置还是在视场内部没有目标。
相同的，如果施加到SPAD的电压差过高，则不能确定电流输出是否是目标被呈现的结果，或者电流输出是否是由高电场生成的暗电流。
已经被提出的是，在一些设备中来提供在设备中的参考光路。在图6中示出了合并了参考光路的示例LIDAR***。该***包括VCSEL 600、参考SPAD检测器602和主SPAD检测器604。在图6中由点线表示，VCSEL 600可以跨宽角度(或***的视场)发射光。由VCSEL 600生成的一部分光可以由设备壳体610阻挡，而光的剩余部分则被发射。
当一部分发射的光撞击目标608时，部分光可以被反射回主SPAD检测器604，该主SPAD检测器604将反射的光接收，并且对接收的光子数进行计数。计数的数目和定时信息可以被使用以确定和定位在设备的视场内的对象。
固体隔断606被定位在VCSEL 600和主SPAD检测器604之间，以确保没有来自VCSEL600的杂散光在其没有从目标608被反射的情况下由主SPAD检测器604检测到。
参考光路612由从VCSEL 600发射的一部分光反射离开设备壳体610的内部而被形成，该一部分光由参考SPAD检测器602检测到。因此，参考光路612被设计为始终接收由VCSEL 600发射的一部分光。
利用参考SPAD检测器602，直到在设定的集成周期内的某些计数阈值被实现，所施加的电压可以被逐渐地改变。该电压被认为是引起SPAD发射指示光子检测的输出脉冲的最小电压。
然后，施加到主SPAD检测器604的电压可以被设置为包括确定的最小阈值的值，该最小阈值使用参考SPAD检测器602加上进入主SPAD检测器604的假定稳健操作区域的量被确定。
因此，参考光路被建立到设备中，其使用附加的空间并且可以引起增加的制造成本。执行检测和校准所采用的时间可以不是微不足道的，例如：该时间可以是1ms数量级的，这是数据可以被收集的时间。
针对一些应用，期望在不使用参考光路的情况下自动地和/或持续地控制施加到SPAD的电压。
在图7中示出了根据一些实施例的装置的表示。
在图7中，该装置包括SPAD 102、测量电路702、和电压设置电路704。
SPAD 102被提供有阴极电压VHV 100和阳极电压706。SPAD102的阳极将电流输出到测量电路702。测量电路702包括适合用于测量从SPAD 102输出的电流的电路。
测量电路702被连接到电压设置电路704。电压设置电路704包括适合用于接收来自测量块702的输入、的电路，并且该电路基于所接收的输入来控制施加到SPAD的阴极电压VHV 100和阳极电压706中的至少一个电压。电压设置电路704可以在本领域中以任何已知的方式实现。例如，在一些实施例中，电压设置704可以利用提供电压VHV 100的可编程转换器(诸如可编程LDO)实现。其他实现方式也是可能的。
根据一些实施例的一些示例电路在图3A和图3B中被示出。应被理解的是，在图3A和图3B中示出的电路是上文参考图7所描述的装置的非限制性的示例实现。应被理解的是，在一些实施例中，不同于在图3A和图3B中所提供的电路是可以被使用的。
在图3A中示出的电路包括SPAD 102,、第一n型FET晶体管304、第二n型FET晶体管308、和运算放大器(op-amp)302。SPAD通过将电压VHV 100施加到SPAD阴极而被偏置。SPAD102的阳极被连接到第一晶体管304的源极。SPAD 102的阳极也被连接到op-amp 302的非反向输入端子。op-amp的反向输入端子接收偏置电压VBG 306。op-amp 302的输出被连接到第一晶体管304的栅极以及第二晶体管308的栅极。第一晶体管304的漏极和第二晶体管308被连接到一起。
通过改变偏置电压VBG 306，穿过第一n型FET晶体管304的电流可以被改变。因此偏置电压VBG 306确定SPAD 102的阳极电压。
图3A中示出的电路的布置导致在第一晶体管304和第二晶体管308中形成电流镜。因此，穿过SPAD 102流动的电流被输入到第一晶体管304的源极，并且该电流通过第二晶体管308被镜像，并且在310处被输出到电流比较器312。电流比较器312可以将电流310与阈值VREF_ICMP 314进行比较。
在一些实施例中，阴极电压100和偏置电压306中的至少一个可以取决于电流比较器312的输出。
就是说，测量电路可以包括电流镜。电流镜可以被连接到电流比较器。电流镜可以包括第一晶体管304和第二晶体管308，其中第一晶体管304的源极端子被连接到单光子雪崩二极管的阳极102，并且第一晶体管304的漏极端子被连接到第二晶体管308的漏极端子。第一晶体管和第二晶体管的漏极可以被保持在地电压。第二晶体管308的源极可以被连接到电流比较器312。
电压设置电路可以包括op-amp。op-amp可以在反向输入端子处接收偏置电压VBG306，并且在非反向输入端子处接收SPAD 102的输出。op-amp的输出可以被连接到第一晶体管304的栅极以及第二晶体管308的栅极。第一晶体管的源极可以被连接到SPAD 102的阳极。偏置电压VBG 306可以取决于电流比较器的输出。
在一些实施例中，在图3B中示出的电流可以被使用。在图3B中的电路基本上与在图3A中示出的电路相同，除了op-amp 302已经被移除，并且第一晶体管304的栅极和第二晶体管306的栅极可以被连接到SPAD 102的输出。
备选的或附加的，在一些实施例中，阴极电压VHV 100可以取决于电流比较器的输出。
应被理解的是，在图3A和图3B中示出的以及上文中所描述的电路中n型FET的使用仅仅是一个示例。由本领域的技术人员可以被理解的是，任何其他适合的晶体管可以被使用。例如，p型FET可以被使用。备选的或附加的，应被意识到诸如双极晶体管或MOSFET的不同类型的晶体管可以被使用。
参考至图3A和图3B，图3A的电路可以提供跨SPAD 102的电压的更准确的控制。图3B的电路可以是更小的，并且因此制造起来更容易且更便宜。
应被意识到，在图3A和图3B中示出的示例仅仅是实施例可以被实现的两个方式。其他实施例可以使用不同的电路被实现。
控制施加至SPAD的电压的一些实施例的一些方法现在将参考图4和图5被描述。
根据一些实施例，施加到SPAD的电压VHV被固定在第一值，使得电压远高于击穿电压VBD。将SPAD电压设置在VBD之上的操作在图4中由步骤400被示出。
然后，跨SPAD施加的电压可以被减少。减少跨SPAD施加的电压的操作在图4中由步骤402被示出。
然后，穿过SPAD流动的电流可以与阈值被进行比较。将穿过SPAD流动的电流与阈值进行比较的操作在图4中由步骤404被示出。
如果穿过SPAD流动的电流在阈值之上，则该方法重复步骤402，其中跨SPAD施加的电压可以被减少，并且在步骤404中穿过SPAD流动的电流再次被确定并且与阈值进行比较。
当在步骤404中的比较引起穿过SPAD流动的电流处于阈值之下时，跨SPAD施加的电压可以增加固定量VEB被。后续施加的电压被确定为SPAD的操作阈值电压。
所施加的过量偏置电压VEB可以足够大，以确保从SPAD输出的电流超过针对所有SPAD像素的读出电路***的SPAD的阈值电流。增加在该值之上的过量偏置电压可以引起增加SPAD的灵敏度(就是说，当大量过量偏置被施加时，入射光子可能触发在SPAD中的雪崩)。然而，增加过量偏置也可以引起增加的暗计数率(由于硅内的缺陷，从SPAD像素输出的暗计数率是在不存在光子的情况下发生的)。
在一些实施例中，所施加的过量偏置电压VEB可以由在所实现的灵敏度和暗计数率之间的权衡确定。附加的或备选的，可以被考虑的额外因素是基于当其不在操作中而将SPAD关断的能力的。
在一些实施例中，可以启用阵列内的一些SPAD、而其他的SPAD被禁用。针对在正常操作期间被配置有阴极上的高电压VHV以及阳极上的零电压的SPAD，该SPAD可以通过拉动阳极电压至更高的电压而被禁用。阳极电压可以由供应电压来设置。阳极电压被增加可以导致跨SPAD的电压为低于击穿电压VBD，从而将SPAD移出其雪崩区域。在一些实施例中，所施加的过量偏置电压可以小于用于禁用SPAD的电压，以启用要被禁用的SPAD。
在一些实施例中，电压的增加可以取决于一个或多个其他因素。一个或多个其他因素可以是任何其他适合的因素，诸如：温度、操作条件、应用和/或其他类似的。使用增加的电压可以引起以增加暗计数率为代价来增加检测光子的可能性。
通过VEB来增加跨SPAD施加的电压的操作在图4中由步骤406示出。
根据另一个实施例，施加到SPAD的电压VHV被固定在远低于击穿电压VBD的第二值。将跨SPAD施加的电压设置为高于VBD的操作在图5中通过步骤500示出。
然后，跨SPAD施加的电压可以被增加。增加跨SPAD施加的电压的操作在图5中通过步骤502示出。
然后，穿过SPAD流动的电流可以与阈值进行比较。将穿过SPAD流动的电流与阈值进行比较的操作在图5中通过步骤504示出。
如果穿过SPAD流动的电流在阈值之下，则该方法重复步骤502，其中跨SPAD施加的电压可以被增加，并且在步骤504中穿过SPAD流动的电流再次与阈值进行比较。
当在步骤504中的比较引起穿过SPAD流动的电流处于阈值之上时，跨SPAD施加的电压可以增加固定量VEB。后续施加的电压被确定为SPAD的操作阈值电压。
通过VEB来增加跨SPAD施加的电压的操作在图5中由步骤506示出。
在一些实施例中，电压的增加可以取决于被使用的当前电压。
在一些实施例中，电压的增加可以取决于一个或多个其他因素。一个或多个其他因素可以是任何其他适合的因素，诸如：温度、操作条件、应用和/或其他类似的。
在一个修改中，一些实施例可以携带图4的步骤400至步骤404和图5的步骤500至步骤504。触发电流低于在图4中的阈值的电压以及触发电流高于在图5中的阈值的电压两者都被使用于确定用于SPAD的操作偏置电压。
一些实施例可以提供包括确定穿过单光子雪崩二极管流动的电流，并且取决于所确定的电流来控制施加到单光子雪崩二极管的电压的方法。
在一些实施例中，确定穿过SPAD流动的电流可以包括：相对于阈值电压来设置施加到SPAD的电压、调整施加到SPAD的电压、以及将穿过SPAD流动的电流与阈值电流进行比较。
在一些实施例中，相对于阈值电压来设置施加到SPAD的电压包括将施加到SPAD的电压设置为在阈值之上。在一些实施例中，相对于阈值电压来设置施加到SPAD的电压包括将施加到SPAD的电压设置为在阈值之下。
在一些实施例中，调整施加到SPAD的电压包括减少施加到SPAD的电压。在一些实施例中，调整施加到SPAD的电压包括增加施加到SPAD的电压。
在一些实施例中，如果穿过单光子雪崩二极管流动的电流在阈值电流之下，则该比较是成功的。在一些实施例中，如果穿过单光子雪崩二极管流动的电流在阈值电流之上，则该比较是成功的。
在一些实施例中，根据所确定的电流控制施加到SPAD的电压可以包括：响应于比较是成功的，将设定的值增加施加到SPAD的电压。
在一些实施例中，可以存在单个SPAD。在其他实施例中可以存在SPAD的阵列。当存在多于一个的SPAD时，每个SPAD可以具有诸如前文所述的个体地控制的电压。在一些实施例中，当存在多于一个SPAD时，一个或多个SPAD可以用作用于电压的确定的参考SPAD。用于这些一个或多个SPAD的确定电压可以被用于控制施加到一个或多个其他SPAD的电压。应被理解的是这些被称为参考SPAD的SPAD可以被配置为检测SPAD。
上文所述的装置和方法可以在利用单光子雪崩检测器的任何设备或装置中被实现。例如，上文所述的装置和方法可以在车载LIDAR中、医疗***(例如荧光寿命成像显微镜)、工业测距、光感测以及在通信中被实现。应被理解的是，这些非限制性实现方式仅是示例性的，并且该装置和方法可以在其他光检测应用中以任何方式被实现。
应被意识到，上文所述的布置可以至少部分地由集成电路、芯片集合、一个或多个在一起封装或在不同封装中的裸片、分立电路***或这些选项的任意组合被实现。
本文的上文已经描述了具有不同变型的各种实施例。应被注意的是本领域的技术人员可以组合这些各种实施例和变型的各种元件。
这样的备选、修改、以及改进旨在作为本公开的一部分，并且旨在落入本实用新型的范围内。因此，前文的叙述仅仅是通过示例的方式而不是旨在作为限制。本实用新型仅由所附权利要求书及其等效物所限定。
一些实施例涉及用于控制施加至SPAD的电压的方法和装置。
根据第一方面，提供了用于控制跨单光子雪崩二极管施加的电压的方法。该方法包括：根据穿过单光子雪崩二极管流动的电流来提供输出；以及根据所提供的输出，控制跨单光子雪崩二极管施加的电压。
所提供的输出可以包括电流。
该方法可以包括确定所提供的输出何时满足条件，并且响应于该确定，通过设置电压值来调整跨单光子雪崩二极管施加的当前电压。
提供输出的步骤和控制电压的步骤可以被重复直到输出满足条件。
该方法可以包括将输出与阈值进行比较，以控制施加到单光子雪崩二极管的电压。
该方法可以包括控制跨单光子雪崩二极管的初始电压，使得初始电压大于在单光子雪崩二极管的正常操作中使用的电压或者小于在单光子雪崩二极管的正常操作期间被使用的电压；以及响应于所提供的输出，调整该电压。
该方法可以包括调整初始电压，使得电压更接近于在单光子雪崩二极管的正常操作期间被使用的电压。
控制跨单光子雪崩二极管所施加的电压可以包括以下各项中的至少一项：控制施加到单光子雪崩二极管的阴极电压；以及控制施加到单光子雪崩二极管的阳极电压。
根据第二方面，提供了用于控制跨单光子雪崩二极管施加的电压的装置。该装置包括：测量电路***，配置为根据穿过单光子雪崩二极管流动的电流来提供输出；以及电压设置电路***，配置为根据所提供的输出来控制跨单光子雪崩二极管施加的电压。
所提供的输出可以包括电流。
电压设置电路***可以被配置为响应于所提供的输出满足条件，通过设置电压来调整跨单光子雪崩二极管施加的当前电压。
电压设置电路***可以被配置为响应于输出和阈值的比较，控制跨单光子雪崩二极管施加的电压。
电压设置电路***可以被配置为：控制跨单光子雪崩二极管的电压，使得该电压大于在单光子雪崩二极管的正常操作中使用的电压或者小于在单光子雪崩二极管的正常操作期间所使用的电压；以及响应于所提供的输出来调整电压。
该装置可以包括电流比较器，配置为将所提供的输出与阈值电流进行比较。
电压设置电路***可以被配置为根据所提供的输出，控制至少一个阴极电压以及控制电压。
根据第三方面，提供了一种设备，其包括一种装置，该装置配置为：根据穿过单光子雪崩二极管流动的电流来提供输出的设备；以及根据所提供的输出来控制跨单光子雪崩二极管施加的电压。

Claims (11)

1.一种控制跨单光子雪崩二极管施加的电压的装置，其特征在于，所述装置包括：
测量电路，被配置为基于穿过所述单光子雪崩二极管流动的电流来提供输出；以及
电压设置电路，被配置为基于提供的所述输出，控制跨所述单光子雪崩二极管施加的所述电压。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，提供的所述输出包括电流。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压设置电路被配置为当提供的所述输出满足条件时，通过设定的电压调整跨所述单光子雪崩二极管施加的当前电压。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压设置电路被配置为响应于所述输出和阈值的比较，控制跨所述单光子雪崩二极管施加的所述电压。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压设置电路被配置为：
控制跨所述单光子雪崩二极管的所述电压，使得所述电压大于在所述单光子雪崩二极管的正常操作中使用的电压或者小于在所述单光子雪崩二极管的正常操作中使用的电压；以及
响应于提供的所述输出，调整跨所述单光子雪崩二极管的所述电压。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括被配置为将提供的所述输出与阈值电流进行比较的电流比较器。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述测量电路包括电流镜，所述电流镜被耦合在所述电流比较器的输入与所述单光子雪崩二极管之间。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述电流镜包括第一晶体管和第二晶体管，以及其中所述测量电路还包括运算放大器，所述运算放大器具有耦合到所述第一晶体管和所述第二晶体管的控制端子的输出、耦合到所述单光子雪崩二极管的第一输入、以及被配置为接收参考电压的第二输入。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压设置电路被配置为基于提供的所述输出，控制所述单光子雪崩二极管的阴极电压。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：
多个单光子雪崩二极管；
测量电路，被配置为基于穿过所述多个单光子雪崩二极管中的第一单光子雪崩二极管流动的电流来提供输出；以及
电压设置电路，被配置为基于提供的所述输出，控制跨所述第一单光子雪崩二极管施加的电压。
11.根据权利要求10所述的电子设备，其特征在于，所述电压设置电路被配置为基于提供的所述输出，控制跨所述多个单光子雪崩二极管中的第二单光子雪崩二极管施加的电压。
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