SPADsensorer

SPADsensorer, eller SPAD-sensorer, är sensorer som utnyttjar single-photon avalanche diodes (SPADs) för att detektera enstaka fotoner med mycket hög tidsupplösning. En SPAD är en reverse-biased junction som opererar i Geiger-läge. När en foton absorberas initieras en snabb avalanche av laddning och genererar en digital puls. Pulsens storlek är konfigurerad att vara i praktiken digital, och en kvätningskrets stoppar lavinen medan SPAD-pixeln återhämtar sig inför nästa detektion.

Arkitekturmässigt implementeras SPAD-erna ofta i CMOS-teknik som SPAD-arrayer. Varje pixel innehåller en SPAD och ofta en kvätningsenhet. Det finns både passiva kvätningskretser (motståndbaserade) och aktiva kvätningskretser som använder transistorer för snabbare återhämtning och lägre dead time. SPAD-arrayer möjliggör bildskapande med detektion av enstaka fotoner och tidsmärkning per pixel.

Prestanda kännetecknas av PDE (photon detection efficiency) och timing jitter, som varierar med våglängd och pixeldesign. Timing jitter ligger ofta i tiotals till hundra picosekunder. Mörkströmsnivåer, afterpulsing och kors-talk mellan SPADs i en array är vanliga utmaningar. Kyla används ofta för att minska mörkströmsnivåer och förbättra prestanda.

Användningar inkluderar TCSPC och FLIM inom biologi, högkänslig 2D/3D imaging med SPAD-arrayer, LiDAR och snabb 3D-avbildning, samt kvantkommunikation och lågljussignalmätning där detektorn kräver tidsinformation i realtid.

Fördelar inkluderar mycket hög känslighet för enstaka fotoner och utmärkt tidsupplösning samt digital utgång. Begränsningar inkluderar låg fill factor i små pixlar, krav på kylning, mörkströmsrelaterade effekter samt kostnad och komplexitet i läs- och förstärkningskretserna.