สปาดโฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์โฟตอนเดี่ยว
เมื่อเซ็นเซอร์ตรวจจับแสง SPAD ถูกนำมาใช้ครั้งแรก ส่วนใหญ่จะใช้ในสถานการณ์การตรวจจับแสงน้อย อย่างไรก็ตาม ด้วยวิวัฒนาการของประสิทธิภาพและการพัฒนาความต้องการของสภาพแวดล้อมต่างๆโฟโตดีเทคเตอร์ SPADเซ็นเซอร์ถูกนำไปประยุกต์ใช้ในผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภคมากขึ้นเรื่อยๆ เช่น เรดาร์ในรถยนต์ หุ่นยนต์ และยานไร้คนขับ เนื่องจากมีความไวสูงและมีสัญญาณรบกวนต่ำ เซ็นเซอร์ตรวจจับแสง SPAD จึงเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับการรับรู้ความลึกที่มีความแม่นยำสูงและการถ่ายภาพในที่แสงน้อย
แตกต่างจากเซ็นเซอร์ภาพ CMOS (CIS) แบบดั้งเดิมที่ใช้ PN junction โครงสร้างหลักของโฟโตดีเทคเตอร์ SPAD คือไดโอดอะวาแลนซ์ที่ทำงานในโหมดไกเกอร์ จากมุมมองของกลไกทางกายภาพ ความซับซ้อนของโฟโตดีเทคเตอร์ SPAD นั้นสูงกว่าอุปกรณ์ PN junction อย่างมาก ซึ่งสะท้อนให้เห็นได้จากข้อเท็จจริงที่ว่า ภายใต้แรงดันไบแอสย้อนกลับสูง มันมีแนวโน้มที่จะก่อให้เกิดปัญหาต่างๆ เช่น การฉีดพาหะที่ไม่สมดุล ผลกระทบจากอิเล็กตรอนความร้อน และกระแสอุโมงค์ที่ได้รับความช่วยเหลือจากสถานะข้อบกพร่อง ลักษณะเหล่านี้ทำให้มันเผชิญกับความท้าทายอย่างมากในระดับการออกแบบ กระบวนการผลิต และสถาปัตยกรรมวงจร
พารามิเตอร์ประสิทธิภาพทั่วไปของเครื่องตรวจจับโฟโตดีเทคเตอร์ SPAD (Avalanche Photodetector)พารามิเตอร์ต่างๆ ได้แก่ ขนาดพิกเซล (Pixel Size), สัญญาณรบกวนจากการนับมืด (DCR), ความน่าจะเป็นในการตรวจจับแสง (PDE), เวลาหยุดทำงาน (DeadTime) และเวลาตอบสนอง (Response Time) พารามิเตอร์เหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของโฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์ SPAD ตัวอย่างเช่น อัตราการนับมืด (DCR) เป็นพารามิเตอร์สำคัญในการกำหนดสัญญาณรบกวนของดีเทคเตอร์ และ SPAD จำเป็นต้องรักษาระดับไบแอสให้สูงกว่าจุดแตกหักเพื่อทำหน้าที่เป็นดีเทคเตอร์แบบโฟตอนเดี่ยว ความน่าจะเป็นในการตรวจจับแสง (PDE) จะกำหนดความไวของ SPADเครื่องตรวจจับแสงถล่มและได้รับผลกระทบจากความเข้มและการกระจายตัวของสนามไฟฟ้า นอกจากนี้ DeadTime คือเวลาที่ SPAD ใช้ในการกลับสู่สถานะเริ่มต้นหลังจากถูกกระตุ้น ซึ่งส่งผลต่ออัตราการตรวจจับโฟตอนสูงสุดและช่วงไดนามิก
ในการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์ SPAD ความสัมพันธ์ที่จำกัดระหว่างพารามิเตอร์ประสิทธิภาพหลักเป็นความท้าทายที่สำคัญ ตัวอย่างเช่น การย่อขนาดพิกเซลจะนำไปสู่การลดทอนของ PDE โดยตรง และความเข้มข้นของสนามไฟฟ้าที่ขอบซึ่งเกิดจากการย่อขนาดจะทำให้ DCR เพิ่มขึ้นอย่างมาก การลดเวลาหยุดทำงานจะทำให้เกิดสัญญาณรบกวนหลังการกระตุ้นและทำให้ความแม่นยำของความคลาดเคลื่อนของเวลาลดลง ปัจจุบัน โซลูชันที่ล้ำสมัยได้บรรลุการเพิ่มประสิทธิภาพร่วมกันในระดับหนึ่งผ่านวิธีการต่างๆ เช่น DTI/วงจรป้องกัน (ลดการรบกวนข้ามช่องสัญญาณและลด DCR) การเพิ่มประสิทธิภาพทางแสงของพิกเซล การนำวัสดุใหม่มาใช้ (ชั้น SiGe ที่เพิ่มการตอบสนองต่ออินฟราเรด) และวงจรดับสัญญาณรบกวนแบบแอคทีฟสามมิติ
วันที่เผยแพร่: 23 กรกฎาคม 2568