淬灭电路鉴别器架构对亚10 ps FWHM单光子计时分辨率SPAD的影响

抽象的

在辐射测量领域，人们渴望实现亚10 ps（半高全宽，FWHM）的时间分辨率，以应用于飞行时间正电子发射断层扫描（TOF-PET）、飞行时间正电子计算机断层扫描（TOF-CT）和时间分辨量热法等应用。单光子探测器是这些应用探测链的关键部件之一，近年来，首个具有亚10 ps时间分辨率的单光子雪崩二极管（SPAD）相继问世。为了达到如此高的时间分辨率，SPAD的读出电路采用了开环运算放大器作为比较器。本文对比较器和反相器进行了比较，以确定哪种前沿鉴别器能够获得最佳的单光子时间分辨率。我们使用相同架构和相同工作条件的SPAD，测试了六种采用台积电（TSMC）65 nm工艺实现的不同的猝灭电路（QC）。这使得我们可以比较不同QC的实验结果。本文还提出了一种测量SPAD信号斜率、SPAD过电压变化的方法，并通过仿真确定了不同前沿鉴别器所增加的抖动。对于某些鉴别器架构，需要使用共源共栅晶体管来提高量子级联（QC）的最大过电压。本文还探讨了在比较器或基于反相器的鉴别器中添加共源共栅晶体管对单光子时间分辨率的影响。本文报告了使用低阈值比较器读出的SPAD的半峰全宽（FWHM）为6.3 ps，以及使用共源共栅晶体管实现更高过电压的优化1 V反相器的半峰全宽（FWHM）为6.8 ps。.