雪崩二极管控制电路的制作方法

本发明涉及半导体，具体涉及一种雪崩二极管控制电路。

背景技术：

1、雪崩二极管包括apd和spad。其中apd是雪崩光电二极管(avalanche photodiode)的缩写，spad是单光子雪崩二极管的首字母缩写(single photon avalanche diode)。其基本工作原理是将apd或spad反向偏置于雪崩电压vbd之上，使其发生雪崩现象。通过该现象实现光信号的迅速放大。

2、实际工作时，spad相当于一个被反向偏置的pn结。反向偏置电压的大小为在雪崩电压vbd基础上再叠加一个过载电压vex。于是，这个pn结就会工作于盖革(geiger)模式。附图1表示的是spad的3个工作状态。初期状态1是加了偏置电压后，spad进入了off状态。当该状态受到触发(trigger)后产生雪崩击穿，于是spad进入了大电流的on状态2。当spad工作于盖革模式时，光增益为无限大。该无限大的增益是由半导体内的碰撞离化现象(impactionization)所产生的。该现象所产生的大电流虽然叫做击穿，但是由于大量的电子并不会破坏晶体结构，所以并没有器件的损伤。最后，这个大电流会降低spad的偏置电压，把spad带入到状态3。

3、如附图2所示为spad的afe所包含的电路例。spad在发生雪崩之后，二极管两端的电荷随着雪崩电流减小。把spad带入到状态3，这个过程是退火过程。退火结束后，需要再次把spad加上过电压vex，这个过程是复位过程。通常，需要一个复位电路把vex和spad进行连接。而这个复位电路可以有主动复位电路和被动复位电路。对于复位电路来说，在设计的时候需要考虑到退火功能。有时候也会根据设计需要加入退火电路。图2(a)和(b)分别显示了spad的两种不同接法，信号既可以从负极(cathode)接出来，也可以从正极(anode)接出来。

4、现有的雪崩二极管的控制电路至少包括复位电路和信号检出电路。这些电路占用芯片的面积较大，进而提高了芯片成本，使得复杂功能难以集成。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种雪崩二极管控制电路，通过在雪崩二极管和复位电路及信号检出电路之间引入使能电路以实现分时复用，进而节约芯片面积，提高集成度。具体通过如下方案实现：

2、一种雪崩二极管控制电路，包括：

3、像元组，其包括至少两个带有倍增功能的像元，所述像元为apd或spad；

4、信号检出电路，其耦接所述像元组，被配置为检测所述像元组产生的电信号；

5、至少一个复位/淬灭电路，其耦接所述像元组或像元组中的像元，被配置为对像元进行复位和/或淬灭；

6、第一使能电路，其对应所述像元组中的单个或多个像元设置，用于基于使能信号控制像元与信号检出电路之间的电气连接状态。

7、在一些实施例中，所述像元组中的像元设置为n个，n≥2；所述n个像元的正极分别耦接负偏压，负极共同耦接同一信号检出电路，并通过共同或分别配置的复位/淬灭电路耦接正偏压；所述第一使能电路设置为对应像元组中像元的n个，并分别配置于像元负极与信号检出电路之间，或者像元正极与负偏压之间。

8、在一些实施例中，所述像元组中的像元设置为n个，n≥2；所述n个像元的负极分别耦接正偏压，正极共同耦接同一信号检出电路，并通过共同或分别配置的复位/淬灭电路耦接电源地；所述第一使能电路设置为对应像元组中像元的n个，并分别配置于像元正极与信号检出电路之间，或者像元负极与正偏压之间。

9、在一些实施例中，所述使能电路包括一场效应管或三极管，所述场效应管或三极管与所述像元串联耦接，并通过栅极或基极耦接使能信号。

10、在一些实施例中，该雪崩二极管控制电路还包括至少一个控制电路，所述控制电路耦接至少两个所述第一使能电路，用于向与之耦接的第一使能电路输出使能信号，进而控制对应像元与信号检出电路之间的电气连接状态。

11、在一些实施例中，该雪崩二极管控制电路还包括控制电路，所述控制电路分别耦接对应像元组中每个像元的第一使能电路，用于向所述第一使能电路输出使能信号，使得同一时刻只有一个像元与所述信号检出电路联通。

12、在一些实施例中，所述像元组中的像元设置为p行q列的像元阵列，p≥2，q≥2；所述第一使能电路对应所述像元阵列中的单行或若干行像元设置，用于基于使能信号控制单行或若干行像元与对应信号检出电路之间的电气连接状态。

13、在一些实施例中，该雪崩二极管控制电路还包括第二使能电路，所述第二使能电路对应所述像元阵列中的单列或若干列像元设置，用于基于使能信号控制单列或若干列像元与信号检出电路之间的电气连接状态。

14、在一些实施例中，所述信号检出电路设置为m个，1≤m≤p；每个信号检出电路对应所述像元阵列中的一行像元；所述信号检出电路还被配置为接收对应其它行像元的信号检出电路产生的输入中续信号，并基于所述输入中续信号和检测到的本地电信号产生输出中续信号。

15、在一些实施例中，所述信号检出电路中同时使用高压mos和低压mos，并且存在一条从电源到gnd的电路路径，该路径包含至少一个高压mos和至少一个低压mos。

16、在一些实施例中，所述m个信号检出电路包括配置有与非门的第一类信号检出电路和配置有或非门的第二类信号检出电路，所述第一类信号检出电路和第二类信号检出电路交替配置，用于接收前置信号检出电路输出的中续信号，基于所述中续信号和检测到的本地信号产生新的中续信号并输出至后置信号检出电路。

17、在一些实施例中，所述复位/淬灭电路和信号检出电路使用同一个电源。

18、在一些实施例中，该雪崩二极管控制电路还包括像元保护电路，所述像元保护电路对应像元组中的每个像元设置，用于保护使能电路和信号检测电路。

19、在一些实施例中，该雪崩二极管控制电路还包括使能信号生成电路，用于根据多个使能信号基于预设逻辑输出一路使能信号。

20、在一些实施例中，所述像元组、信号检出电路、复位/淬灭电路和第一使能电路均设置于同一个基板上。

21、在一些实施例中，所述像元组设置于第一基板上，所述第一使能电路、信号检出电路和复位/淬灭电路设置于第二基板上，所述第一使能电路和像元组中的像元之间通过堆叠式工艺连接。

22、在一些实施例中，所述像元组和第一使能电路设置于第一基板上，所述信号检出电路和复位/淬灭电路设置于第二基板上，所述第一基板和第二基板上的电路之间通过堆叠式工艺连接。

23、本发明的有益技术效果如下：

24、本发明通过在雪崩二极管和复位电路及信号检出电路之间引入使能电路，能够动态调整2个或2个以上的像元与信号检出电路、复位/淬灭电路之间的连接关系，使得上述电路的全部或者部分达到针对多个像元反复使用的效果，实现分时复用。通过电路复用，比起现有技术里每一个像元需要独立的复位电路和信号检出电路的方案来说，能够显著减少芯片面积，提高集成度。