เครื่องตรวจจับหิมะถล่มโฟตอนเดี่ยว SPAD

สปัดเครื่องตรวจจับหิมะถล่มโฟตอนเดี่ยว

เมื่อเซ็นเซอร์ตรวจจับแสง SPAD ถูกนำมาใช้ครั้งแรก ส่วนใหญ่มักใช้ในสถานการณ์ตรวจจับแสงน้อย อย่างไรก็ตาม ด้วยวิวัฒนาการด้านประสิทธิภาพและข้อกำหนดด้านฉากที่พัฒนาขึ้นเครื่องตรวจจับภาพ SPADเซ็นเซอร์ถูกนำไปใช้งานมากขึ้นในสถานการณ์การใช้งานของผู้บริโภค เช่น เรดาร์ในรถยนต์ หุ่นยนต์ และอากาศยานไร้คนขับ ด้วยคุณสมบัติความไวสูงและสัญญาณรบกวนต่ำ เซ็นเซอร์ตรวจจับภาพ SPAD จึงเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการรับรู้ระยะลึกที่แม่นยำสูงและการถ่ายภาพในสภาพแสงน้อย

ต่างจากเซ็นเซอร์รับภาพ CMOS (CIS) แบบดั้งเดิมที่ใช้รอยต่อ PN โครงสร้างหลักของโฟโตดีเทกเตอร์ SPAD คือไดโอดหิมะถล่มที่ทำงานในโหมดไกเกอร์ จากมุมมองของกลไกทางกายภาพ ความซับซ้อนของโฟโตดีเทกเตอร์ SPAD สูงกว่าอุปกรณ์ที่มีรอยต่อ PN อย่างมาก สะท้อนให้เห็นได้อย่างชัดเจนจากข้อเท็จจริงที่ว่าภายใต้ไบอัสย้อนกลับที่สูง โฟโตดีเทกเตอร์มีแนวโน้มที่จะก่อให้เกิดปัญหาต่างๆ เช่น การฉีดพาหะที่ไม่สมดุล ผลกระทบจากอิเล็กตรอนความร้อน และกระแสอุโมงค์ที่เกิดจากสภาวะบกพร่อง ลักษณะเฉพาะเหล่านี้ทำให้โฟโตดีเทกเตอร์ต้องเผชิญกับความท้าทายอย่างมากทั้งในระดับการออกแบบ กระบวนการ และสถาปัตยกรรมวงจร

พารามิเตอร์ประสิทธิภาพทั่วไปของเครื่องตรวจจับหิมะถล่ม SPADประกอบด้วย ขนาดพิกเซล (Pixel Size), สัญญาณรบกวนนับมืด (DCR), ความน่าจะเป็นในการตรวจจับแสง (PDE), เวลาตาย (Dead Time) และ เวลาตอบสนอง (Response Time) พารามิเตอร์เหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับหิมะถล่ม SPAD ตัวอย่างเช่น อัตราการนับมืด (DCR) เป็นพารามิเตอร์สำคัญในการกำหนดสัญญาณรบกวนของเครื่องตรวจจับ และ SPAD จำเป็นต้องรักษาค่าไบแอสให้สูงกว่าค่า Breakdown เพื่อทำหน้าที่เป็นเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว ความน่าจะเป็นในการตรวจจับแสง (PDE) เป็นตัวกำหนดความไวของ SPADเครื่องตรวจจับหิมะถล่มและได้รับผลกระทบจากความเข้มและการกระจายตัวของสนามไฟฟ้า นอกจากนี้ DeadTime คือเวลาที่ SPAD ต้องใช้เพื่อกลับสู่สถานะเริ่มต้นหลังจากถูกกระตุ้น ซึ่งส่งผลต่ออัตราการตรวจจับโฟตอนสูงสุดและช่วงไดนามิก

ในการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์ SPAD ความสัมพันธ์ระหว่างข้อจำกัดระหว่างพารามิเตอร์ประสิทธิภาพหลักถือเป็นความท้าทายที่สำคัญ ยกตัวอย่างเช่น การย่อขนาดพิกเซลโดยตรงจะนำไปสู่การลดทอนสัญญาณ PDE และความเข้มข้นของสนามไฟฟ้าที่ขอบที่เกิดจากการลดขนาดพิกเซลจะทำให้ค่า DCR เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว การลด Dead Time จะทำให้เกิดสัญญาณรบกวนหลังอิมพัลส์และลดความแม่นยำของค่า Jitter ของเวลา ปัจจุบัน โซลูชันที่ล้ำสมัยนี้ได้บรรลุการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานร่วมกันในระดับหนึ่งผ่านวิธีการต่างๆ เช่น DTI/วงจรป้องกัน (การยับยั้งสัญญาณรบกวนข้ามและลด DCR), การเพิ่มประสิทธิภาพพิกเซลเชิงแสง, การนำวัสดุใหม่ (ชั้นหิมะถล่ม SiGe ที่ช่วยเพิ่มการตอบสนองอินฟราเรด) และวงจรดับสัญญาณแบบแอคทีฟแบบซ้อนสามมิติ