一种单光子雪崩二极管探测器的电路仿真方法

摘要

本发明提出了一种单光子雪崩二极管探测器的电路仿真方法，电路仿真模型结构由直流通路SRV和交流网络KAS并联组成；直流网络SRV由三条支路并联得到，每条支路都由一个开关S、一个电阻R和一个直流电压源V串联而成；首先为SPAD建立了一个完整的电路仿真模型，精确的描述了其直流、交流特性以及温度效应，模拟SPAD对单个光子的探测行为。然后该模型用硬件描述语言Verilog-A实现，在通用仿真器如Cadence上进行SPAD的电路仿真。该方法使用一种电路模型精确模拟了探测器对单个光子的探测行为，包括直流特性和交流特性。模型使用模拟硬件描述语言Verilog-A实现，具有很好的通用性，可在通用的电路仿真器上与其他电子电路一起完成器件和电路的混合仿真。

主权项

一种单光子雪崩二极管探测器的电路仿真方法，其特征是：电路仿真模型结构由直流通路SRV和交流网络KAS并联组成；直流网络SRV由三条支路并联得到，每条支路都由一个开关S、一个电阻R和一个直流电压源V串联而成；交流网络KAS由三个电容即第一电容C_ka、第二电容C_ks和第三电容C_as混联得到；支路1由第一开关S_FW、电阻R_FW和电压源V_FW串联，其中电压源V_FW的正极与阳极端口A直接相连；支路2由第二开关S_AM、电阻R_AM和电压源V_AM串联，其中电压源V_AM的负极与阳极端口A直接相连；支路3由第三开关S_GM、电阻R_GM和电压源V_GM串联，其中V_GM的负极与阳极端口A直接相连；所述的交流网络KAS由器件阴极端口K与阳极端口A之间的第一电容C_ka、第二电容C_ks和第三电容C_as混联而成；第一电容C_ka连接阴极端口K与阳极端口A，第二电容C_ks连接阴极端口K与地信号，第三电容C_as连接阳极端口A与地信号；直流网络SRV的三条支路分别模拟单光子雪崩二极管SPAD的三种工作区间；由第一开关S_FW、电阻R_FW和电压源V_FW串联的支路1模拟SPAD正向导通的工作区间，第一开关S_FW代表切换工作区间的条件，电阻R_FW模拟正向导通电阻，电压V_FW模拟正向导通阈值电压，此时单光子雪崩二极管SPAD可视作一个普通的处于正向偏置状态的二极管；由第二开关S_AM、电阻R_AM和电压源V_AM串联的支路2模拟单光子雪崩二极管SPAD反向偏置的工作区间，第二开关S_AM代表切换至反偏状态，电阻R_AM模拟反向饱和电阻，电压V_AM模拟雪崩阈值电压，当反向偏置电压小于雪崩阈值电压时SPAD处于反向饱和状态，当反向偏置电压大于雪崩阈值电压时SPAD发生雪崩；由第三开关S_GM、电阻R_GM和电压源V_GM串联的支路3模拟SPAD的二次击穿现象，第三开关S_GM代表切换至二次击穿区，电压V_GM模拟SPAD所能承受的最大反偏电压值，当反偏电压大于电压V_GM时会发生二次击穿，且这种击穿是不可逆的，会烧坏器件。