Қатты күйдегі фотодетекторлар және бір фотон лавиналық диодтар
Single-photon avalanche diode
Жарық детекторлары: SPAD диодтары – фотодиодтар отбасынан, жарық ағынын анықтауға арналған құрылғы. UV, көрінетін, IR сәулелерді сезінеді. Қолданысы кең.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Қатты күй фотодетекторы
Solid state photodetector
Бір фотонды лавиналық диод (SPAD), сондай-ақ Гейгер режиміндегі лавиналық фотодиод (G APD немесе GM APD) деп аталады, фотодиодтар мен лавиналық фотодиодтар (APD) сияқты бір отбасыға жататын қатты күй фотодетекторы, және негізгі диодтық қасиеттерімен тығыз байланысты. Фотодиодтар мен АПД-лар сияқты, SPAD жартылай өткізгіш p-n торабына негізделген, оны гамма, рентген сәулелері, бета және альфа бөлшектері сияқты иондаушы сәулелендірумен, сондай-ақ ультракүлгін (UV) сәуледен көрінетін толқын ұзындықтары арқылы инфрақызыл (IR) сәулелерге дейінгі электромагниттік спектрдің кең ауқымымен жарықтандыруға болады. Фотодиодта, төмен кері кернеуде, ағып кету тогы фотондардың жұтылуымен, яғни ішкі фотоэлектрлік эффектісінен ток тасымалдаушыларын (электрондар және/немесе тесіктер) босатумен сызықты түрде өзгереді. Дегенмен, SPAD-да, белгілі бір толқын ұзындықтарында жеке фотондарды анықтау үшін.
A single photon avalanche diode (SPAD), also called Geiger mode avalanche photodiode (G APD or GM APD) is a solid state photodetector within the same family as photodiodes and avalanche photodiodes (APDs), while also being fundamentally linked with basic diode behaviours. As with photodiodes and APDs, a SPAD is based around a semi conductor p n junction that can be illuminated with ionizing radiation such as gamma, x rays, beta and alpha particles along with a wide portion of the electromagnetic spectrum from ultraviolet (UV) through the visible wavelengths and into the infrared (IR). In a photodiode, with a low reverse bias voltage, the leakage current changes linearly with absorption of photons, i. e. the liberation of current carriers (electrons and/or holes) due to the internal photoelectric effect. However, in a SPAD, for single photon detection at dedicated wavelengths.
Қолданбалар
1970 жылдан бері SPAD-тардың қолданылу саласы күрт кеңейді. Жақындағы қолданыс мысалдары: LIDAR, ұшу уақыты (ToF) 3D бейнелеу, ПЭТ сканерлеу, физикадағы жеке фотонмен жүргізілетін тәжірибелер, флуоресценцияның ұзақ өмір сүру микроскопиясы және оптикалық байланыс (әсіресе кванттық кілт тарату).
Since the 1970s, the applications of SPADs have increased significantly. Recent examples of their use include LIDAR, time of flight (ToF) 3D imaging, PET scanning, single photon experimentation within physics, fluorescence lifetime microscopy, and optical communications (particularly quantum key distribution).
Құрылыстар
SPAD-тер – бұл p-n торабы кері бағытталған және тораптың бұзылу кернеуінен асып түсетін жұмыс кернеуінде жұмыс істейтін жартылай өткізгіш құрылғылар (1-сурет). "Осындай кернеу кезінде электр өрісінің күші өте жоғары болады [3×10⁵ В/см-ден жоғары], сондықтан ағынды қабатына енген жалғыз заряд тасымалдаушы өздігінен күшейе түсетін лавинаны тудыра алады. Ток жылдамдықпен өседі [наносекундтан кем уақыт ішінде] және миллиамперлер диапазонындағы тұрақты макроскопиялық деңгейге жетеді. Егер негізгі тасымалдаушы фотон арқылы туындаса, лавина импульсінің бастапқы шеті анықталған фотонның келу уақытын көрсетеді [пикосекундтық уақыт тербелісімен]. Бұл SPAD үшін зиянды болуы мүмкін, себебі ол лавина тогына дерлік үнемі тосады. Пассивті жағдайда қанығу максималды деңгейге жеткеннен кейін санау жылдамдығының төмендеуіне алып келуі мүмкін. Бұл паралич деп аталады, яғни SPAD пассивті түрде қайта зарядталатын кезде келіп түскен фотонның анықталу ықтималдығы төмендейді, бірақ өлі уақытты ұзартуы мүмкін. Пассивті өшіру схемалық тұрғыдан қарапайым болғанымен, ең жоғары санау жылдамдығын 1/e есеге кемітеді.
SPADs are semiconductor devices that are based on a p–n junction that is reverse biased at an operating voltage that exceeds the junctions breakdown voltage (Figure 1). "At this bias, the electric field is so high [higher than 3×105 V/cm] that a single charge carrier injected into the depletion layer can trigger a self sustaining avalanche. The current rises swiftly [sub nanosecond rise time] to a macroscopic steady level in the milliampere range. If the primary carrier is photo generated, the leading edge of the avalanche pulse marks [with picosecond time jitter] the arrival time of the detected photon."). This can be harmful to the SPAD as it will be experiencing avalanche current nearly continuously. In the passive case, saturation may lead to the count rate decreasing once the maximum is reached. This is called paralysis, whereby a photon arriving as the SPAD is passively recharging, has a lower detection probability, but can extend the dead time. It is worth noting that passive quenching, while simpler to implement in terms of circuitry, incurs a 1/e reduction in maximum counting rates.
Қара сандық жылдамдық (DCR)
Фотондық тасымалдаушылардан бөлек, термиялық тасымалдаушылар (жартылай өткізгіш ішіндегі генерация-рекомбинация процестері арқылы) да лавина процесін іске қоса алады. Сондықтан, SPAD толық қараңғылықта болғанда шығыс импульстарын байқау мүмкін. Секунд сайынғы орташа есеп саны қараңғы санау жылдамдығы (DCR) деп аталады және детектордың шуын анықтаудағы маңызды параметр болып табылады. Айта кететін жайт, қараңғы санау жылдамдығының кері шамасы SPAD бұзылу деңгейінен жоғары кернеумен қанша уақыт бойы тұрақталғанын көрсетеді, одан кейін қажетсіз термиялық генерациядан туындаған сигнал пайда болады. Осылайша, SPAD бір фотондық детектор ретінде жұмыс істеу үшін жеткілікті ұзақ уақыт бойы (мысалы, бірнеше миллисекунд, секундына мыңнан кем санауға сәйкес келетін cps) бұзылудан жоғары кернеумен тұрақтала алуы керек.
Besides photon generated carriers, thermally generated carriers (through generation recombination processes within the semiconductor) can also fire the avalanche process. Therefore, it is possible to observe output pulses when the SPAD is in complete darkness. The resulting average number of counts per second is called dark count rate (DCR) and is the key parameter in defining the detector noise. It is worth noting that the reciprocal of the dark count rate defines the mean time that the SPAD remains biased above breakdown before being triggered by an undesired thermal generation. Therefore, in order to work as a single photon detector, the SPAD must be able to remain biased above breakdown for a sufficiently long time (e. g., a few milliseconds, corresponding to a count rate well under a thousand counts per second, cps).
Артынша импульстік шу
Аваланшаның туындауына себеп болатын тағы бір құбылыс – кейінгі импульстік эффект. Аваланша болғанда, PN торабы заряд тасымалдаушылармен толып кетеді және валенттілік және өткізгіштік аймақтары арасындағы тұзақ деңгейлері заряд тасымалдаушылардың жылулық тепе-теңдігінде күтілетіннен әлдеқайда жоғары деңгейде толтырылады. SPAD өшірілгеннен кейін, тұзақ деңгейіндегі заряд тасымалдаушы тұзақтан босату үшін жеткілікті энергия алып, өткізгіштік аймағына өтеді, бұл жаңа аваланшаны тудырады. Осылайша, өндіріс процесінің сапасына және SPAD жасау үшін қолданылған нақты қабаттар мен имплантацияларға байланысты, бір бастапқы жылулық немесе фотогенерациялық оқиғадан көптеген қосымша импульстар пайда болуы мүмкін. Кейінгі импульстік эффектінің деңгейін қараңғы санау режимінде аваланшалардың келу уақытының автокорреляциясын өлшеу арқылы анықтауға болады. Жылулық генерация импульстік функциясы бар Пуассон статистикасын тудырады, ал кейінгі импульстік эффект Пуассон емес статистиканы тудырады.
One other effect that can trigger an avalanche is known as afterpulsing. When an avalanche occurs, the PN junction is flooded with charge carriers and trap levels between the valence and conduction band become occupied to a degree that is much greater than that expected in a thermal equilibrium distribution of charge carriers. After the SPAD has been quenched, there is some probability that a charge carrier in a trap level receives enough energy to free it from the trap and promote it to the conduction band, which triggers a new avalanche. Thus, depending on the quality of the process and exact layers and implants that were used to fabricate the SPAD, a significant number of extra pulses can be developed from a single originating thermal or photo generation event. The degree of afterpulsing can be quantified by measuring the autocorrelation of the times of arrival between avalanches when a dark count measurement is set up. Thermal generation produces Poissonian statistics with an impulse function autocorrelation, and afterpulsing produces non Poissonian statistics.
Фотондық уақыт және дрейф
SPAD лавинасының бастапқы шегі фотондардың келу уақытын өлшеу үшін ерекше пайдалы. Бұл әдіс 3D бейнелеу, LIDAR үшін тиімді және уақытпен байланысты жеке фотон санауына (TCSPC) негізделген физикалық өлшемдерде кеңінен қолданылады. Дегенмен, мұндай мүмкіндікті іске асыру үшін уақытты цифрлық түрлендіргіштерге (TDC) және уақытты аналогтық түрлендіргіштерге (TAC) арналған арнайы тізбектер қажет. Фотонның келуін өлшеу екі негізгі процестен туындаған қиындықтарға толы. Біріншісі – фотонның өзінің келу уақытының статистикалық ауытқуы, ол жарықтың фундаменталь қасиеті болып табылады. Екіншісі – SPAD ішіндегі анықтау механизмінің статистикалық өзгерістері, себебі а) фотонның сіңірілу тереңдігі, б) белсенді p-n торабына дейінгі диффузия уақыты, в) лавинаның қалыптасу статистикасы және д) анықтау және уақыт тізбегінің тербелісі.
The leading edge of a SPAD's avalanche breakdown is particularly useful for timing the arrival of photons. This method is useful for 3D imaging, LIDAR and is used heavily in physical measurements relying on time correlated single photon counting (TCSPC). However, to enable such functionality dedicated circuits such as time to digital converters (TDCs) and time to analogue (TAC) circuits are required. The measurement of a photon's arrival is complicated by two general processes. The first is the statistical fluctuation in the arrival time of the photon itself, which is a fundamental property of light. The second is the statistical variation in the detection mechanism within the SPAD due to a) depth of photon absorption, b) diffusion time to the active p n junction, c) the build up statistics of the avalanche and d) the jitter of the detection and timing circuitry.
Оптикалық толтыру коэффициенті
SPAD-тің бір ғана элементі үшін оның оптикалық сезімтал ауданының (Aact) жалпы ауданына (Atot) қатынасы толтыру коэффициенті деп аталады. SPAD-терге қорғаушы сақина қажет болғандықтан, диодтың белсенді ауданы кішкентай немесе қорғаушы сақинаның ауданымен шамалас болуы мүмкін. Сонымен қатар, SPAD массивінің өндіріс процесі бір қорғау сақинасының екіншісінен ажыратылуына, яғни SPAD-тардың ең аз арақашықтығына шектеулер қоюы мүмкін. Бұл массив ауданының оптикалық қабылдағыш p-n тораптары емес, қорғау сақиналары мен аралық аймақтармен басым болуына алып келеді. Массивке схемаларды қосу қажет болғанда толтыру коэффициенті нашарлайды, себебі бұл оптикалық қабылдағыш аймақтар арасындағы аралықты арттырады. Бұл мәселені шешудің бір жолы – әр SPAD-тің белсенді ауданын арттыру, сонда қорғау сақиналары мен аралықтар басымдылықты жоғалтады. Алайда, CMOS-пен интеграцияланған SPAD-терде диодтың мөлшері артқан сайын, қара ағымдарға байланысты қате анықтамалардың саны да артады.
For a single SPAD, the ratio of its optically sensitive area, Aact, to its total area, Atot, is called the fill factor, As SPADs require a guard ring Here the diode active area may be small or commensurate with the guard ring's area. Likewise, the fabrication process of the SPAD array may put constraints on the separation of one guard ring to another, i. e. the minimum separation of SPADs. This leads to the situation where the area of the array becomes dominated by guard ring and separation regions rather than optically receptive p n junctions. The fill factor is made worse when circuitry must be included within the array as this adds further separation between optically receptive regions. One method to mitigate this issue is to increase the active area of each SPAD in the array such that guard rings and separation are no longer dominant, however for CMOS integrated SPADs the erroneous detections caused by dark counts increases as the diode size increases.
Геометриялық жақсартулар
Дөңгелекті SPAD массивтеріндегі толтыру коэффициенттерін арттырудың алғашқы әдістерінің бірі – бір SPAD қисығы іргелес қатардағы екі SPAD арасындағы кеңістікті ішінара пайдаланатын, кезектесті қатарлардың орналасуын өтеу болды. Бұл тиімді болды, бірақ массивтің маршрутизациясы мен орналасуын қиындатты. Дөңгелек SPAD-терден құралған SPAD массивтеріндегі толтыру коэффициенттерінің шектеулерін шешу үшін басқа пішіндер пайдаланылады, себебі олар әдетте шаршы пиксель аймағындағы ең жоғары максималды ауданына ие және орамдық қатынастары жоғары. Шаршы пикселдің ішіндегі шаршы SPAD ең жоғары толтыру коэффициентін қамтамасыз етеді, алайда бұл геометрияның өткір бұрыштары сақтандырғыш сақинаға қарамастан құрылғының мерзімінен бұзылуына әкелуі мүмкін, соның салдарынан SPAD-тердің қара шу деңгейі жоғары болады. Компромисс ретінде, жеткілікті дөңгеленген бұрыштары бар шаршы SPAD-тер жасалды. Бұлар Ферма пішіндес SPAD-тер деп аталады, ал пішіннің өзі – супер эллипс немесе Ламе қисығы. Бұл номенклатура SPAD әдебиетінде кең таралған, алайда Ферма қисығы супер эллипстің ерекше жағдайын білдіреді, ол пішіннің ұзындығы, "a" және ені, "b" арақатынасына шектеу қояды (олар тең болуы керек, a = b = 1) және қисықтың дәрежесін "n" жұп сандармен (2, 4, 6, 8 және т.б.) шектейді. "n" дәрежесі пішіннің бұрыштарының қисықтығын анықтайды. Диодтың пішінін төмен шумен және жоғары толтыру коэффициентімен оңтайландыру үшін пішіннің параметрлері осы шектеулерден босатылуы керек. SPAD белсенді аймақтары арасындағы аралықты азайту үшін зерттеушілер массивтерден барлық белсенді тізбектерді алып тастады, сондай-ақ SPAD сақтандырғыш сақинасын PMOS n-ұңғыма аралығы ережелерінен жою үшін тек NMOS CMOS SPAD массивтерін пайдалануды зерттеді. Бұл пайдалы, бірақ үлкен массивтер үшін орталық SPAD-терге маршрутизация қашықтығы мен тығыздығы бойынша шектеулер бар. Бұл тұжырымдама SPAD-тердің кластерлерін «шағын SiPM» құрылымдарында пайдаланатын массивтерді әзірлеуге дейін кеңейтілді. Бұл негізгі сақтандырғыш сақиналар арасындағы аралықты жою ережесін алып тастады және толтыру коэффициентін 60 немесе 70%-ға дейін арттыруға мүмкіндік берді. n-ұңғыма мен сақтандырғыш сақинаны ортақ пайдалану идеясы пикселдің биіктігін төмендету және массивтегі диодтардың жалпы санын арттыру үшін маңызды болды. Жақында SPAD питчтері 3,0 мкм және 2,2 мкм-ге дейін қысқартылды. Осылайша, кішкентай SPAD аймағымен үлкен оптикалық жинау аймағына қол жеткізуге болады. CMOS бейне сенсорлық технологиясынан алынған тағы бір тұжырым – Foveon сенсорларына ұқсас қабатталған p-n тораптарын зерттеу. Бұл идеяға сәйкес, жоғары энергиялы фотондар (көк түс) сіңірілу тереңдігінің қысқа болуына бейім, яғни кремний бетіне жақын сіңіріледі.
One of the first methods to increase fill factors in arrays of circular SPADs was to offset the alignment of alternate rows such that the curve of one SPAD partially uses the area between the two SPADs on an adjacent row. This was effective but complicated the routing and layout of the array. To address fill factor limitations within SPAD arrays formed of circular SPADs, other shapes are utilised as these are known to have higher maximum area values within a typically square pixel area and have higher packing ratios. A square SPAD within a square pixel achieves the highest fill factor, however the sharp corners of this geometry are known to cause premature breakdown of the device, despite a guard ring and consequently produce SPADs with high dark count rates. To compromise, square SPADs with sufficiently rounded corners have been fabricated. These are termed Fermat shaped SPADs while the shape itself is a super ellipse or a Lamé curve. This nomenclature is common in the SPAD literature, however the Fermat curve refers to a special case of the super ellipse that puts restrictions on the ratio of the shape's length, "a" and width, "b" (they must be the same, a = b = 1) and restricts the degree of the curve "n" to be even integers (2, 4, 6, 8 etc). The degree "n" controls the curvature of the shape's corners. Ideally, to optimise the shape of the diode for both low noise and a high fill factor, the shape's parameters should be free of these restrictions. To minimise the spacing between SPAD active areas, researchers have removed all active circuitry from the arrays and have also explored the use of NMOS only CMOS SPAD arrays to remove SPAD guard ring to PMOS n well spacing rules. This is of benefit but is limited by routing distances and congestion into the centre SPADs for larger arrays. The concept has been extended to develop arrays that use clusters of SPADs in so called mini SiPM arrangements This removed one of the major guard ring to guard ring separation rules and allowed the fill factor to increase towards 60 or 70%. The n well and guard ring sharing idea has been crucial in efforts towards lowering pixel pitch and increasing the total number of diodes in the array. Recently SPAD pitches have been reduced to 3.0 um and 2.2 um. By doing so a large optical collection area can be achieved with a smaller SPAD region. Another concept ported from CMOS image sensor technologies, is the exploration of stacked p n junctions similar to Foveon sensors. The idea being that higher energy photons (blue) tend to be absorbed at a short absorption depth, i. e. near the silicon surface.
IC өндірісінің жетілдірілуі
3D интегралдық схема технологиясының дамуымен, яғни интегралдық схемаларды тігілу арқылы, толтыру коэффициентін одан әрі арттыруға болады. Мұнда жоғарғы кристалл жоғары толтыру коэффициенті бар SPAD массивіне оңтайландырылса, ал төменгі кристалл оқу тізбектері мен сигналды өңдеуге оңтайландырылуы мүмкін. Транзисторлар үшін кішкентай өлшемді, жоғары жылдамдықты процестер, оптикалық сезімтал диодтарға қарағанда әртүрлі оңтайландыруларды қажет етуі мүмкін. Сондықтан 3D интегралдық схемалар қабаттарды жеке-жеке оңтайландыруға мүмкіндік береді.
With the advancement of 3D IC technologies, i. e. stacking of integrated circuits, the fill factor could be enhanced further by allowing the top die to be optimised for a high fill factor SPAD array, and the lower die for readout circuits and signal processing. As small dimension, high speed processes for transistors may require different optimisations than optically sensitive diodes, 3D ICs allow the layers to be separately optimised.
Пиксель деңгейіндегі оптикалық жақсартулар
CMOS бейне сенсорлары сияқты, SPAD пиксель массивіне микро линзалар орнатылуы мүмкін, олар жарықты SPAD-тың ортасына шоғырландырады. Жеке SPAD сияқты, бұл жарықтың тек сезімтал аймақтарға тиюіне және массив ішіндегі қорғау сақинасынан және кез келген маршруттан қашуына мүмкіндік береді. Жақында Френель типті линзалар да қолданыла бастады.
As with CMOS image sensors micro lenses can be fabricated on the SPAD pixel array to focus light into the centre of the SPAD. As with a single SPAD, this allows light to only hit the sensitive regions and avoid both the guard ring and any routing that is needed within the array. This has also recently included Fresnel type lenses.
Пикселдің биіктігі
Жоғарыда аталған толтыру коэффициентін арттыру әдістері, негізінен SPAD геометриясына және басқа да жетістіктерге бағытталған, SPAD тізімдерін жақында 1 мегапикселдік шекараны басып өтуге мүмкіндік берді. Бұл CMOS бейне сенсорларынан қалып қояды (қазіргі таңдағы аралық 0,8 мкм-ден төмен), бірақ бұл зерттеу саласының жас болуымен (CMOS SPAD-тер 2003 жылы пайда болды) және жоғары кернеулердің, кремний ішіндегі лавина көбеюінің және қажетті аралық талаптарының күрделілігімен байланысты.
The above fill factor enhancement methods, mostly concentrating on SPAD geometry along with other advancements, have led SPAD arrays to recently push the 1 mega pixel barrier. While this lags CMOS image sensors (with pitches now below 0.8 um), this is a product of both the youth of the research field (with CMOS SPADs introduced in 2003) and the complications of high voltages, avalanche multiplication within the silicon and the required spacing rules.
АПД-мен салыстыру
APD және SPAD екеуі де кері бұрылыс бар жартылай өткізгіш p n тораптары болып табылады, бірақ олардың қасиеттерінің басты айырмашылығы кері I V сипаттамасындағы, яғни тораптарына қолданылатын кері кернеуде болады. Оптикалық анықтау қолданыстарында, нәтижесінде пайда болатын лавина және оның күшейту схемасындағы келесі ток, оптикалық сигналдың қарқындылығымен сызықты түрде байланысты. Сондықтан APD төмен қарқынды оптикалық сигналдарды орташа деңгейде күшейтуге қолайлы, бірақ көбінесе трансимпеданс күшейткішімен (TIA) біріктіріледі, себебі APD шығысы әдеттегі күшейткіштің кернеуі емес, ток болып табылады. Нәтижесіндегі сигнал – кіріс сигналының бұрмаланбаған, күшейтілген нұсқасы, бұл түсетін жарықтың амплитудасын өзгертетін күрделі процестерді өлшеуге мүмкіндік береді. APD-нің ішкі күшейту коэффициенттері қолданысқа қарай өзгереді, бірақ әдеттегі мәндері жүздерге жетеді. Осы жұмыс режимінде заряд тасымалдаушыларының лавинасы шашырамайды, ал SPAD-тегі лавина тез арада басқарудан шығатын (шашыраған) жағдайға айналады. Қарама-қарсылығы, SPAD-тер бұзылу кернеуінен жоғары кернеуде жұмыс істейді. Бұл бұзылудан жоғары өте тұрақсыз режим, сондықтан бір фотон немесе бір қара ток электроны заряд тасымалдаушыларының айқын лавинасын тудыруы мүмкін. Құрылғы оқиғаны тудыратындықтан, күшейту ұғымы қатаң түрде сәйкес келмейді. Дегенмен, SPAD-тің фотонды анықтау тиімділігі (PDE) кері бұрылыс кернеуіне байланысты өзгеретіндіктен, күшейтуді, жалпы тұжырымдық мағынада, салыстырмалы түрде аз бұрылыспен салыстырғанда, күшті бұрылыспен және демек сезімтал құрылғыларды ажырату үшін қолдануға болады. APD-лер кіріс сигналын күшейту кезінде амплитудадағы өзгерістерді сақтай алады, ал SPAD-тер сигналды триггерлік немесе импульстік оқиғалар тізбегіне айналдырады. Шығыс әлі де кіріс сигналының қарқындылығына пропорционалды деп қарастырылуы мүмкін, бірақ қазір ол триггерлік оқиғалардың жиілігіне, яғни импульстік жиілік модуляциясына (PFM) айналады. Импульстарды санауға болады. Бұл ақаулар «микроплазмалар» деп аталды және APD және SPAD тарихында маңызды рөл атқарады. Сол сияқты, p-n тораптарының жарықты анықтау қасиеттерін зерттеу, әсіресе 1940 жылдардың басындағы Рассел Ольдың нәтижелері өте маңызды. Жарымөткіштер мен қатты денелердегі жарықты анықтау ішкі фотоэлектрлік эффект арқылы ескірген, ал Фостер Никс 1920 жылдардағы Гудден мен Польдың жұмысына сілтеме жасайды, олар ішкі және сыртқы фотоэлектрлік эффектілерді ажырату үшін «біріншілік» және «екіншілік» терминдерін қолданды. 1950-1960 жылдары микроплазманың бұзылуы мен шу көздерінің санын азайтуға көп күш жұмсалды, сондай-ақ зерттеу үшін жасанды микроплазмалар жасалды. Аваланж механизмі диодтың өзінде сигналды күшейту үшін пайдалы екені анықталды, себебі осы құрылғылар мен бұзылу механизмдерін зерттеу үшін жарық және альфа бөлшектері де қолданылды. 2000 жылдардың басында SPAD-тер CMOS процестерінде жүзеге асырылды. Бұл олардың өнімділігін (қара санау жылдамдығы, джиттер, массивтік пиксель биіктігі және т.б.) күрт арттырды және осы құрылғылармен бірге жүзеге асырылатын аналогтық және цифрлық схемаларды пайдаланды. Ерекше схемаларға жылдам цифрлық санаушыларды қолдана отырып фотондарды санау, уақытты цифрлық түрлендіргіштерді (TDC) және уақытты аналогтық түрлендіргіштерді (TAC) қолдана отырып фотондарды уақыттап белгілеу, поликремнийлі резисторлардың орнына NMOS немесе PMOS транзисторларын қолдана отырып пассивті сөндіру схемалары, жоғары санау жылдамдықтары үшін белсенді сөндіру және қайта орнату схемалары және көптеген чиптік цифрлық сигналды өңдеу блоктары кіреді. Мұндай құрылғылар қазір >70% оптикалық толтыру коэффициентіне, >1024 SPAD-ке, <10 Гц DCR-ге және 50 пс аймағындағы джиттер мәндеріне ие, ал өлі уақыты 1-2 нс құрайды. Жақындағы құрылғылар кремнийлі виалар (TSV) сияқты 3D IC технологияларын пайдаланды, бұл жоғары толтыру коэффициентіне ие SPAD-ты ұсынады. SPAD терминдеріндегі шудың маңызды жетістіктері TCAD сияқты кремнийлі процестерді модельдеу құралдары арқылы алынды, онда қорғау сақиналары, тораптардың тереңдігі және құрылғы құрылымдары мен пішіндері тәжірибелік SPAD құрылымдарымен расталғанға дейін оңтайландырылуы мүмкін.
While both APDs and SPADs are semiconductor p n junctions that are heavily reverse biased, the principle difference in their properties is derived from their different biasing points upon the reverse I V characteristic, i. e. the reverse voltage applied to their junction. For optical detection applications, the resulting avalanche and subsequent current in its biasing circuit is linearly related to the optical signal intensity. The APD is therefore useful to achieve moderate up front amplification of low intensity optical signals but is often combined with a trans impedance amplifier (TIA) as the APD's output is a current rather than the voltage of a typical amplifier. The resultant signal is a non distorted, amplified version of the input, allowing for the measurement of complex processes that modulate the amplitude of the incident light. The internal multiplication gain factors for APDs vary by application, however typical values are of the order of few hundreds. The avalanche of carriers is not divergent in this operating region, while the avalanche present in SPADs quickly builds into a run away (divergent) condition. In comparison, SPADs operate at a bias voltage above the breakdown voltage. This is such a highly unstable above breakdown regime that a single photon or a single dark current electron can trigger a significant avalanche of carriers. As the device produces a trigger event, the concept of gain is not strictly compatible. However, as the photon detection efficiency (PDE) of SPADs varies with the reverse bias voltage, gain, in a general conceptual sense can be used to distinguish devices that are heavily biased and therefore highly sensitive in comparison to lightly biased and therefore of lower sensitivity. While APDs can amplify an input signal preserving any changes in amplitude, SPADs distort the signal into a series of trigger or pulse events. The output can still be treated as proportional to the input signal intensity, however it is now transformed into the frequency of trigger events, i. e. pulse frequency modulation (PFM). Pulses can be counted These defects were called 'microplasmas' and are critical in the history of APDs and SPADs. Likewise investigation of the light detection properties of p–n junctions is crucial, especially the early 1940s findings of Russel Ohl. Light detection in semiconductors and solids through the internal photoelectric effect is older with Foster Nix pointing to the work of Gudden and Pohl in the 1920s, who use the phrase primary and secondary to distinguish the internal and external photoelectric effects respectively. In the 1950s and 1960s, significant effort was made to reduce the number of microplasma breakdown and noise sources, with artificial microplasmas being fabricated for study. It became clear that the avalanche mechanism could be useful for signal amplification within the diode itself, as both light and alpha particles were used for the study of these devices and breakdown mechanisms. In the early 2000s, SPADs have been implemented within CMOS processes. This has radically increased their performance, (dark count rate, jitter, array pixel pitch etc), and has leveraged the analog and digital circuits that can be implemented alongside these devices. Notable circuits include photon counting using fast digital counters, photon timing using both time to digital converters (TDCs) and time to analog converters (TACs), passive quenching circuits using either NMOS or PMOS transistors in place of poly silicon resistors, active quenching and reset circuits for high counting rates, and many on chip digital signal processing blocks. Such devices, now reaching optical fill factors of >70%, with >1024 SPADs, with DCRs < 10 Hz and jitter values in the 50ps region are now available with dead times of 1 2ns. Recent devices have leaveraged 3D IC technologies such as through silicon vias (TSVs) to present a high fill factor SPAD optimised top CMOS layer (90 nm or 65 nm node) with a dedicated signal processing and readout CMOS layer (45 nm node). Significant advancements in the noise terms for SPADs have been obtained by silicon process modelling tools such as TCAD, where guard rings, junction depths and device structures and shapes can be optimised prior to validation by experimental SPAD structures.