सिंगल-फोटॉन हिमस्खलन डायोड

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ऑप्टिकल फोटॉनों के लिए वाणिज्यिक एकल-फोटॉन हिमस्खलन डायोड मॉड्यूल

एकल-फोटॉन हिमस्खलन डायोड (एसपीएडी) फोटो डायोड और हिमस्खलन फोटोडायोड (एपीडी) के समान समूहों के भीतर ठोस अवस्था में फोटो संसूचक के रूप में उपयोग किया जाता है, इसके अतिरिक्त मौलिक डायोड के मौलिक व्यवहारों के साथ यह इसके पारंपरिक रूप से संयोजित रहता है। जैसा कि फोटोडायोड और एपीडी के साथ होता है, एसपीएडी अर्धचालक पी-एन जंक्शन या पी-एन जंक्शन पर आधारित होता है, जिसे गामा, एक्स-रे, बीटा और अल्फा कणों जैसे आयनीकरण विकिरण के साथ-साथ विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम के विस्तृत भाग के साथ प्रकाशित किया जा सकता है। इस प्रकार पराबैंगनी (यूवी) किरणों से दृश्य तरंग दैर्ध्य के माध्यम से और अवरक्त (आईआर) में यह प्रतिस्थापित हो जाता हैं।

एक फोटोडायोड में मौलिक रूप से कम विपरीत पूर्वाग्रह मानों के साथ लीकेज धारा फोटॉन के अवशोषण के साथ रैखिक रूप से परिवर्तित हो जाता है, अर्थात आंतरिक प्रकाश विद्युत प्रभाव के कारण धारा कैरियर्स (इलेक्ट्रॉन और/या होल) की मुक्ति हो जाती हैं। यद्यपि स्पैड में,[1][2] व्युत्क्रम पूर्वाग्रह इतना अधिक होता है कि प्रभावित आयनीकरण नामक घटना इसका रूप ले लेती है जो हिमस्खलन की धारा को विकसित करने में सक्षम होती है। बस, फोटो-जनित वाहक को यूक्तियों में विद्युत क्षेत्र द्वारा गतिज ऊर्जा के लिए त्वरित किया जाता है जो अधिक मात्रा में पदार्थ की आयनीकरण ऊर्जा को दूर करने के लिए पर्याप्त होता है, इस प्रकार किसी परमाणु से इलेक्ट्रॉनों को यह बाहर निकालता है। इस प्रकार धारा वाहकों का बड़ा हिमस्खलन तेजी से बढ़ता जाता है और फोटॉन द्वारा प्रारंभ किए गए वाहक के रूप में बहुत कम मात्रा में इसका प्रारंभ किया जाता है। एसपीएडी छोटी अवधि के लक्षित पल्सेस को प्रदान करने वाले एकल फोटॉन का पता लगाने में सक्षम है जिसे गिना जा सकता है। चूंकि इसका उपयोग हिमस्खलन की उच्च गति और यूक्तियों के कम समय के कंपन के कारण घटना फोटॉन के आगमन के समय को प्राप्त करने के लिए भी किया जाता है।

एसपीएडी और हिमस्खलन फोटोडायोड या फोटोडायोड के बीच मूलभूत अंतर यह है कि एसपीएडी अपने ब्रेकडाउन वोल्टेज से अधिक ऊपर बायस्ड रहता है। जबकि एपीडी रैखिक प्रवर्धक के रूप में कार्य करने में सक्षम रहता है, इस प्रकार स्पैड के भीतर प्रभाव आयनीकरण और हिमस्खलन के स्तर ने शोधकर्ताओं को यूक्तियों को जीजर काउंटर से तुलना करने के लिए प्रेरित करता है जिसमें आउटपुट पल्सेस लक्षित घटना का संकेत देती हैं। इस प्रकार के लक्षित व्यवहार को जन्म देने वाले डायोड बायस क्षेत्र को इसलिए गीजर-मोड क्षेत्र कहा जाता है।

तरंगदैर्घ्य क्षेत्र जिसमें यह सबसे अधिक संवेदनशील होता है जैसा कि फोटोडायोड में देखा जाता है, इसके भौतिक गुणों का उत्पाद है, विशेष रूप से अर्धचालक के भीतर ऊर्जा अंतराल सिलिकॉन, जर्मेनियम और अन्य III-V तत्वों सहित कई अन्य पदार्थों का उपयोग विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए स्पैड्स बनाने के लिए किया जाता है जो अब रन-अवे हिमस्खलन प्रक्रिया का उपयोग करते हैं। सीमाॅस निर्माण प्रौद्योगिकियों में स्पैड-आधारित प्रणालियों को लागू करने वाली गतिविधि के साथ इस विषय में अधिक शोध है,[3]और इसी प्रकार III-V पदार्थ संयोजनों की जांच और उपयोग[4] को समर्पित तरंग दैर्ध्य पर एकल-फोटॉन संसूचक के लिए उपयोग किया जाता हैं।

अनुप्रयोग

1970 के दशक से, स्पैड्स के अनुप्रयोगों में उल्लेखनीय वृद्धि हुई है। उनके उपयोग के वर्तमान उदाहरणों में लिडार का, समय-ऑफ-फ्लाइट कैमरा (टीओएफ) 3डी इमेजिंग, पोजीट्रान एमिशन टोमोग्राफी, भौतिकी के भीतर एकल-फोटॉन प्रयोग, प्रतिदीप्ति-आजीवन इमेजिंग माइक्रोस्कोपी माइक्रोस्कोपी और ऑप्टिकल संचार (विशेष रूप से क्वांटम कुंजी वितरण) में सम्मिलित हैं।

प्रक्रिया

चित्र 1 - पतला स्पैड क्रॉस-सेक्शन।

संरचनाएं

एसपीएडी पी-एन जंक्शन पर आधारित अर्धचालक यूक्तियों में इसका उपयोग किया जाता हैं।[1] इस आधार पर विद्युत क्षेत्र इतना अधिक [3×105 से अधिक] वोल्ट/सेंमी] होता है कि रिक्तीकरण परत में अंतःक्षेपित किये गये एकल आवेश कैरियर आत्मनिर्भर हिमस्खलन को लक्षित करने में सफल हो जाते हैं। एक मिलीएम्पियर सीमा में मैक्रोस्कोपिक स्थिर स्तर तक उप-नैनोसेकंड प्रारंभिक समय में तेजी से बढ़ता है। यदि प्राथमिक वाहक फोटो-जनित है, तो हिमस्खलन पल्स के अग्रणी किनारे पिकोसेकंड समय जिटर के साथ पता लगाए गए फोटॉन के आगमन के समय के रूप में निर्धारित किया जाता हैं।[1] कोई धारा तब तक उपयोग की जाती है जब तक कि पूर्वाग्रह वोल्टेज को ब्रेकडाउन वोल्टेज से कम करके हिमस्खलन को समाप्त नहीं कर दिया जाता है:[1] इस प्रकार निचले विद्युत क्षेत्र में अब क्रिस्टल संरचना परमाणुओं के साथ प्रभावित आयनीकृत करने के लिए वाहकों को गति देने में सक्षम नहीं है, इसलिए यह धारा बंद हो जाती है। जिसके लिए दूसरे फोटॉनों का पता लगाने में सक्षम बनाने के लिए बायस वोल्टेज को पुनः ब्रेकडाउन वोल्टेज से ऊपर उठाये जाने की आवश्यकता होती हैं।[1]

इस प्रक्रिया के लिए उपयुक्त परिपथ की आवश्यकता होती है, जिसे:

  1. हिमस्खलन धारा के अग्रणी किनारे को स्पर्श करते हैं।
  2. हिमस्खलन बिल्ड-अप के साथ मानक आउटपुट पल्स सिंक्रोनस उत्पन्न करता हैं।
  3. ब्रेकडाउन वोल्टेज के पूर्वाग्रह को कम करके हिमस्खलन को समाप्त करती हैं।
  4. फोटोडायोड को ऑपरेटिव स्तर पर पुनर्स्थापित करती हैं।

इस परिपथ को सामान्यतः शमन परिपथ के रूप में जाना जाता है।[1]

पूर्वाग्रह क्षेत्र और धारा-वोल्टेज विशेषता

एसपीएडी की धारा-वोल्टेज विशेषता ऑफ और ऑन-ब्रांच दिखा रही है

लागू होने वोल्टेज के आधार पर अर्धचालक पी-एन जंक्शन कई ऑपरेटिंग क्षेत्रों में पक्षपाती होता है। इस प्रकार सामान्य एकल दिशा पर आधारित डायोड प्रक्रिया के लिए, अग्रेषित बायसिंग क्षेत्र और अग्रेषित वोल्टेज का उपयोग चालन के समय किया जाता है, जबकि व्युत्क्रम बायस क्षेत्र चालन को रोकता है। जब कम व्युत्क्रम बायस वोल्टेज के साथ संचालित किया जाता है, तो इस प्रकार पी-एन जंक्शन एकत्रित होकर होने वाले लाभ को फोटोडायोड के रूप में कार्य में उपयोग करता है। जैसे-जैसे व्युत्क्रम बायस बढ़ता है, इस वाहक गुणन के माध्यम से कुछ आंतरिक लाभ प्राप्त होता है, जिससे फोटोडायोड हिमस्खलन फोटोडायोड के रूप में संचालित किया जा सकता है। इस प्रकार हिमस्खलन फोटोडायोड (एपीडी) स्थिर लाभ और ऑप्टिकल इनपुट संकेत के लिए रैखिक प्रतिक्रिया के साथ उपयोग में लाया जाता हैं। यद्यपि जैसे-जैसे बायस वोल्टेज बढ़ता जाता है, पी-एन जंक्शन टूट जाता है, इस प्रकार जब पी-एन जंक्शन के पार विद्युत क्षेत्र की शक्ति महत्वपूर्ण स्तर तक पहुँच जाती है। चूंकि यह विद्युत क्षेत्र जंक्शन पर पूर्वाग्रह वोल्टेज से प्रेरित होता है, इसे ब्रेकडाउन वोल्टेज, वीबीडी के रूप में दर्शाया जाता है। इस प्रकार स्पैड, ब्रेकडाउन वोल्टेज के ऊपर अतिरिक्त बायस वोल्टेज, वेक्स के साथ व्युत्क्रम बायस्ड होता है, किन्तु इस प्रकार स्पैड के गार्ड रिंग से जुड़े दूसरे, उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज से नीचे होता है। इसलिए कुल बायस (वीबीडी+वेक्स) ब्रेकडाउन वोल्टेज इस प्रकार इस सीमा तक बढ़ जाता है कि इस बायस पर, विद्युत क्षेत्र इतना अधिक होता है यह मुख्य रूप से 3×105 से अधिक वोल्ट/सेंमी की रिक्तीकरण परत में अंतःक्षेपित किया गया जाता हैं और इस प्रकार एकल आवेश कैरियर के स्व-हिमस्खलन को लक्षित कर सकता है। एक मिलीएम्पियर सीमा में मैक्रोस्कोपिक स्थिर स्तर तक उप-नैनोसेकंड उदय-समय तेजी से बढ़ता है। यदि प्राथमिक वाहक फोटो-जनित है, तो हिमस्खलन पल्स अग्रणी किनारे के लिए उपयोग किये जाने वाले एक पिकोसेकंड समय को जिटर के साथ पता लगाए गए फोटॉन के आगमन समय को चिह्नित करता है।[1]

जैसा कि पी-एन जंक्शन की धारा बनाम वोल्टेज (I-V) विशेषता डायोड के चालन व्यवहार के बारे में जानकारी देती है, इसे अधिकांशतः एनालॉग कर्व-ट्रेसर का उपयोग करके मापा जाता है। यह शक्तिपूर्वक नियंत्रित प्रयोगशाला स्थितियों के अनुसार पूर्वाग्रह वोल्टेज को ठीक चरणों में साफ करता है। इस प्रकार एसपीएडी के लिए, फोटॉन आगमन या थर्मली जनरेट किए गए वाहक के अतिरिक्त आई-वी विशेषता मानक अर्धचालक डायोड की व्युत्क्रम विशेषता के समान है, अर्थात छोटे से रिसाव के अतिरिक्त जंक्शन पर आवेश फ्लो (धारा) का लगभग कुल रुकावट या एक नैनो-एम्पीयर के समान रहता हैं। इस स्थिति की विशेषताओं को इसकी शाखा के रूप में वर्णित किया जा सकता है।

चूंकि, जब यह प्रयोग किया जाता है, तो झिलमिलाहट के कारण प्रभावित होने वाले तथा दूसरी चतुर्थ विशेषता टूटने के अतिरिक्त देखी जा सकती है। यह तब होता है जब एसपीएडी ने यूक्तियों पर लागू वोल्टेज स्वीप के समय ट्रिगरिंग इवेंट (फोटॉन आगमन या थर्मलली जेनरेटेड कैरियर) का अनुभव किया है। इस प्रकार स्पैड प्रक्रिया के समय, हिमस्खलन धारा को बनाए रखता है जिसे I-V विशेषता की ऑन-शाखा के रूप में वर्णित किया गया है। चूंकि वक्र ट्रैसर समय के साथ पूर्वाग्रह वोल्टेज की स्थिति को बढ़ाता है, ऐसे समय होते हैं जब ब्रेकडाउन के ऊपर वोल्टेज स्वीप के समय एसपीएडी चालू हो जाता है। इस स्थिति में ऑफ-ब्रांच से ऑन-ब्रांच में संक्रमण होता है, जिसमें प्रशंसनीय धारा प्रवाहित होने लगती है। यह चतुर्थ विशेषता की झिलमिलाहट की ओर जाता है जिसे क्षेत्र में प्रारंभिक शोधकर्ताओं द्वारा द्विभाजन के रूप में देखा और निरूपित किया गया था[2] इस प्रकार डीईएफ़: किसी चीज़ का दो शाखाओं या भागों में विभाजित कर देता हैं। एकल-फ़ोटॉन का सफलतापूर्वक पता लगाने के लिए, पी-एन जंक्शन में आंतरिक उत्पादन और पुनर्संयोजन प्रक्रियाओं का स्तर बहुत कम होना चाहिए। ऊष्मीय उत्पादन को कम करने के लिए, उपकरणों को अधिकांशतः ठंडा किया जाता है, जबकि अर्धचालक डोपेंट और इम्प्लांट चरणों के सावधानीपूर्वक डिजाइन के माध्यम से पी-एन जंक्शनों में सुरंग बनाने जैसी घटनाओं को भी कम करने की आवश्यकता होती है। अंत में, पी-एन जंक्शन के बैंड गैप स्ट्रक्चर के भीतर फँसाने वाले केंद्रों द्वारा बढ़ाए जा रही ध्वनि तंत्र को कम करने के लिए डायोड को गलत डोपेंट से मुक्त स्वच्छ प्रक्रिया की आवश्यकता होती है।

निष्क्रिय शमन परिपथ

सबसे सरल शमन परिपथ को सामान्यतः निष्क्रिय शमन परिपथ कहा जाता है और इस प्रकार इसमें एसपीएडी के साथ श्रृंखला में प्रतिरोधी सम्मिलित होता है। पी-एन जंक्शन में हिमस्खलन टूटने पर प्रारंभिक अध्ययन के बाद से इस प्रयोगात्मक सेटअप को नियोजित किया गया है। हिमस्खलन धारा स्वयं बुझ जाती है क्योंकि इस प्रकार यह उच्च-मूल्य वाले विद्युत गिट्टी आर में वोल्टेज ड्रॉप (लगभग 100L kΩ या अधिक) विकसित करता है। हिमस्खलन के शमन के पश्चात एसपीएडी पूर्वाग्रह धीरे-धीरे ऑपरेटिंग पूर्वाग्रह में आ जाता है, और इसलिए सूचक इस प्रकार फिर से प्रज्वलित होने के लिए तैयार है। इस परिपथ मोड को इसलिए निष्क्रिय शमन निष्क्रिय रीसेट (पीक्यूपीआर) कहा जाता है, चूंकि निष्क्रिय शमन सक्रिय रीसेट (पीक्यूएआर) परिपथ मोड बनाने के लिए सक्रिय परिपथ तत्व का उपयोग पुनः करने के लिए किया जा सकता है। इस प्रकार ज़प्पा एट अल द्वारा शमन प्रक्रिया का विस्तृत विवरण दिया गया है।[1]

सक्रिय शमन परिपथ

इस अधिक उन्नत शमन को उपयोग करने के लिए जिसे 1970 के दशक के पश्चात खोजा गया था, सक्रिय शमन नामक योजना में परिवर्तित हो जाता है। इस स्थिति में एक तेज विवेचक 50 Ω प्रतिरोधक (या एकीकृत ट्रांजिस्टर) में हिमस्खलन धारा की तेज प्रारंभ को भांप लेता है और डिजिटल (सीमाॅस, ट्रांजिस्टर-ट्रांजिस्टर लॉजिक, एमिटर-युग्मित तर्क, परमाणु उपकरण मॉड्यूल) आउटपुट पल्स प्रदान करता है, फोटॉन आगमन के साथ तुल्यकालिक समय में उपयोग किया जाता हैं। फिर इस परिपथ को जल्दी से बायस वोल्टेज को ब्रेकडाउन (सक्रिय शमन) से नीचे कर दिया जाता है, इसके पश्चात अगले फोटॉन को मापने के लिए तैयार किये गए ब्रेकडाउन वोल्टेज के ऊपर अपेक्षाकृत शीघ्रता से बायस मान को लौटा दिया जाता है। इस मोड को सक्रिय शमन सक्रिय रीसेट (एक्यूएआर) कहा जाता है, चूंकि परिपथ आवश्यकताओं के आधार पर, सक्रिय शमन निष्क्रिय रीसेट (एक्यूपीआर) अधिक उपयुक्त हो सकता है। एक्यूएआर परिपथ अधिकांशतः कम डेड समय की अनुमति देते हैं, और डेड समय भिन्नता को अधिक कम कर देते हैं।

फोटॉन गणना और संतृप्ति

माप समय अवधि के भीतर आउटपुट पल्सेस की संख्या की गणना (फोटॉन की गणना) करके इनपुट संकेत की तीव्रता प्राप्त की जा सकती है। इस प्रकार इन कम मात्रा वाले प्रकाश इमेजिंग, पीईटी स्कैनिंग और प्रतिदीप्ति आजीवन माइक्रोस्कोपी जैसे अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी है। यद्यपि जब हिमस्खलन रिकवरी परिपथ हिमस्खलन को बुझा दिया जाता है और पूर्वाग्रह को समाप्त कर दिया जाता है, तो स्पैड आगे के फोटॉन आगमन का पता नहीं लगा सकता है। इस संक्षिप्त अवधि के समय सूचक तक पहुंचने वाले किसी भी फोटॉन (या डार्क काउंट्स या आफ्टर-पल्स) की गणना नहीं की जाती है। जैसे-जैसे फोटॉनों की संख्या बढ़ती है, फोटॉनों के बीच (सांख्यिकीय) समय अंतराल हिमस्खलन पुनर्प्राप्ति समय के दस या उससे अधिक के कारक के भीतर हो जाता है, लापता गणना सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण हो जाती है और गणना दर ज्ञात प्रकाश स्तर के साथ रैखिक संबंध से प्रस्थान करना प्रारंभ कर देती है। इस बिंदु पर स्पैड संतृप्त होने लगता है। इस प्रकार यदि प्रकाश स्तर को और बढ़ाता था, अंततः उस बिंदु तक जहां स्पैड पुनः हिमस्खलन करता है, इस हिमस्खलन रिकवरी परिपथ पूर्वाग्रह को पुनर्स्थापित करता है, सक्रिय शमन की स्थिति में हिमस्खलन पुनर्प्राप्ति समय द्वारा शुद्ध रूप से परिभाषित अधिकतम दर तक पहुंच जाता है, जो सौ मिलियन प्रति सेकंड या अधिक की मात्रा रखता है। [5] यह स्पैड के लिए हानिकारक हो सकता है क्योंकि यह लगभग लगातार हिमस्खलन का अनुभव करता हैं। इस प्रकार इस निष्क्रिय स्थिति में, संतृप्ति अधिकतम होने पर गणना दर घटने का कारण बन सकती है। इसे पक्षपात कहा जाता है, जिससे स्पैड के रूप में आने वाला फोटॉन निष्क्रिय रूप से रिचार्ज हो रहा है, इसकी पहचान की संभावना कम है, किन्तु डेड समय को बढ़ा सकता है। यह ध्यान देने योग्य है कि निष्क्रिय शमन, जबकि परिपथ के संदर्भ में लागू करना सरल है, इस प्रकार इसकी अधिकतम गणना दरों में 1/e की कमी होती है।

डार्क काउंट रेट (डीसीआर)

फोटोन जनित वाहकों के अतिरिक्त, ऊष्मीय रूप से उत्पन्न वाहक अर्धचालक के भीतर पीढ़ी-पुनर्संयोजन प्रक्रियाओं के माध्यम से भी हिमस्खलन प्रक्रिया को आग लगा सकते हैं। इसलिए, एसपीएडी पूर्ण अंधेरे में होने पर आउटपुट पल्सेस का निरीक्षण करना संभव है। इस प्रकार एक प्रति सेकंड परिणामी औसत संख्या को डार्क काउंट दर (डीसीआर) कहा जाता है और यह सूचक ध्वनि को परिभाषित करने में प्रमुख पैरामीटर है। यह ध्यान देने योग्य है कि डार्क काउंट रेट का पारस्परिक औसत समय को परिभाषित करता है कि स्पैड अवांछित ऊष्मीय पीढ़ी द्वारा लक्षित होने से पहले ब्रेकडाउन के ऊपर पक्षपाती रहता है। इसलिए, एकल-फोटॉन सूचक के रूप में कार्य करने के लिए, एसपीएडी को पर्याप्त रूप से लंबे समय के लिए ब्रेकडाउन के ऊपर पक्षपाती रहने में सक्षम होना चाहिए, इस प्रकार उदाहरण के लिए, कुछ मिलीसेकंड, हजार गणना प्रति सेकंड, सीपीएस के अनुसार गणना दर के अनुरूप रहता हैं।

आफ्टरपल्सिंग ध्वनि

एक अन्य प्रभाव जो हिमस्खलन को लक्षित कर सकता है, उसे आफ्टरपल्सिंग के रूप में जाना जाता है। जब हिमस्खलन होता है, तो पीएन जंक्शन आवेश वाहकों से भर जाता है और वैलेंस और प्रेरण बैंड के बीच ट्रैप स्तर सीमा तक व्याप्त हो जाता है जो आवेश वाहकों के ऊष्मीय-संतुलन वितरण में अपेक्षा से बहुत अधिक होता है। स्पैड के बुझ जाने के बाद, कुछ संभावना है कि ट्रैप स्तर में आवेश वाहक इसे ट्रैप से मुक्त करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करता है और इसे प्रेरण बैंड में बढ़ावा देता है, जो नए हिमस्खलन को लक्षित करता है। इस प्रकार, प्रक्रिया की गुणवत्ता और एसपीएडी के निर्माण के लिए उपयोग की जाने वाली त्रुटिहीन परतों और प्रत्यारोपण के आधार पर ही मूल ऊष्मीय या फोटो जेनरेशन इवेंट से अतिरिक्त पल्सेस की महत्वपूर्ण संख्या विकसित की जा सकती है। इस प्रकार जब डार्क काउंट माप स्थापित किया जाता है, तो हिमस्खलन के बीच आगमन के समय के स्वत: संबंध को मापकर आफ्टरपल्सिंग की मात्रा निर्धारित की जा सकती है। ऊष्मीय उत्पादन आवेग प्रकार्य स्वत:सहसंबंध के साथ पोइसोनियन आंकड़े उत्पन्न करता है, और आफ्टरपल्सिंग गैर-पॉसोनियन आंकड़े उत्पन्न करता है।

फोटॉन टाइमिंग और जिटर

एसपीएडी के हिमस्खलन टूटने का अग्रणी किनारा फोटॉन के आगमन के समय के लिए विशेष रूप से उपयोगी है। इस प्रकार यह विधि 3डी इमेजिंग, लिडार के लिए उपयोगी है और इसका उपयोग समय-सहसंबद्ध एकल फोटॉन काउंटिंग (टीसीएसपीसी) पर निर्भर भौतिक मापन में अत्यधिक किया जाता है। यद्यपि, ऐसी कार्यक्षमता को सक्षम करने के लिए समर्पित परिपथ जैसे समय-टू-डिजिटल परिवर्तक (टीडीसीएस) और समय-टू-एनालॉग (टीएसी) परिपथ आवश्यक हैं। फोटॉन के आगमन का मापन दो सामान्य प्रक्रियाओं द्वारा जटिल होता है। पहला फोटॉन के आने के समय में सांख्यिकीय उतार-चढ़ाव है, जो प्रकाश की मौलिक मात्रा है। इसका दूसरा एसपीएडी के भीतर पहचान तंत्र में सांख्यिकीय भिन्नता है जो एक फोटॉन अवशोषण की गहराई को बी बिन्दु पर सक्रिय पीएन जंक्शन के लिए प्रसार समय, सी के अनुसार हिमस्खलन के निर्माण के आंकड़े और डी के द्वारा पहचान का संभावना और समय परिपथ के लिए अनुपयोगी होता हैं।

ऑप्टिकल भरण कारक

एक एसपीएडी के लिए, इसके वैकल्पिक रूप से संवेदनशील क्षेत्र का अनुपात Aact के द्वारा इसके कुल क्षेत्रफल के लिए Atot को भरण कारक (प्रतिबिंब संवेदक) कहा जाता है, चूंकि एसपीएडी को गार्ड रिंग की आवश्यकता होती है [1][2] इस समय से पहले एज ब्रेकडाउन को रोकने के लिए, ऑप्टिकल फिल फैक्टर डायोड के आकार और आकार का उत्पाद बन जाता है, जो इसके गार्ड रिंग के संबंध में होता है। यदि सक्रिय क्षेत्र बड़ा है और बाहरी गार्ड रिंग पतली है, तो यूक्तियों में उच्च भरण कारक होता हैं। एकल यूक्तियों के साथ, क्षेत्र का पूर्ण उपयोग और अधिकतम संवेदनशीलता सुनिश्चित करने के लिए सबसे कुशल विधि आने वाले ऑप्टिकल संकेत को यूक्तियों के सक्रिय क्षेत्र के भीतर केंद्रित करना है, अर्थात सभी घटना फोटॉनों को पी-एन जंक्शन के प्लानर क्षेत्र में अवशोषित किया जाता है जैसे कि इस क्षेत्र के भीतर कोई भी फोटॉन हिमस्खलन को लक्षित कर सकता है।

जब हम स्पैड उपकरणों की सरणियों पर विचार करते हैं तो भरण कारक (इमेज सूचक) अधिक लागू होता है।[3] यहां डायोड सक्रिय क्षेत्र छोटा या गार्ड रिंग के क्षेत्र के अनुरूप हो सकता है। इसी प्रकार एसपीएडी सरणी की निर्माण प्रक्रिया गार्ड रिंग को दूसरे से अलग करने पर बाधा डाल सकती है, अर्थात एसपीएडी का न्यूनतम पृथक्करण करता हैं। यह उस स्थिति की ओर ले जाता है जहां वैकल्पिक रूप से ग्रहणशील पी-एन जंक्शनों के अतिरिक्त सरणी का क्षेत्र गार्ड रिंग और पृथक्करण क्षेत्रों पर प्रभावित हो जाता है। इस एकत्रीकृत कारक को और बुरा बनाया जाता है जब परिपथ को सरणी के भीतर सम्मिलित किया जाना चाहिए क्योंकि यह वैकल्पिक रूप से ग्रहणशील क्षेत्रों के बीच और विरोध को जोड़ता है। इस समस्या को कम करने का विधि यह है कि सरणी में प्रत्येक एसपीएडी के सक्रिय क्षेत्र को इस तरह बढ़ाया जाए कि गार्ड रिंग और पृथक्करण अब प्रभावी न हों, चूंकि सीएमओएस एकीकृत एसपीएडी के लिए डायोड के आकार में वृद्धि के साथ डार्क काउंट के कारण होने वाली गलत पहचान बढ़ जाती है।[6]

ज्यामितीय सुधार

वृत्ताकार स्पैड्स की सरणियों में भरण कारकों को बढ़ाने के लिए पहली विधियों में से वैकल्पिक पंक्तियों के संरेखण को ऑफसेट करना था, जैसे कि स्पैड का वक्र आंशिक रूप से दो स्पैड्स के बीच के क्षेत्र को आसन्न पंक्ति पर उपयोग करता है।[7] यह प्रभावी था किन्तु सरणी के रूटिंग और लेआउट को जटिल बनाता था।

वृत्ताकार स्पैड्स से बने स्पैड सरणियों के भीतर भरण कारक सीमाओं को संबोधित करने के लिए अन्य आकृतियों का उपयोग किया जाता है, क्योंकि इन्हें सामान्यतः वर्ग पिक्सेल क्षेत्र के भीतर उच्च अधिकतम क्षेत्र मान और उच्च पैकिंग अनुपात के लिए जाना जाता है। एक वर्ग पिक्सेल के भीतर एक वर्ग स्पैड उच्चतम भरण कारक प्राप्त करता है, चूंकि इस ज्यामिति के नुकीले कोनों को गार्ड रिंग के अतिरिक्त यूक्तियों के समय से पहले टूटने के लिए जाना जाता है और परिणामस्वरूप उच्च डार्क काउंट दरों के साथ स्पैड्स का उत्पादन होता है। इस प्रकार इनके बीच में समझौता करने के लिए पर्याप्त रूप से गोलाकार कोनों वाले वर्ग एसपीएडी तैयार किए गए हैं।[8] इस प्रकार इन्हें फर्मेट वक्र के आकार का एसपीएडी कहा जाता है, जबकि आकार स्वयं सुपरलिप्स या सुपर-एलीप्स या लेमे वक्र है। एसपीएडी साहित्य में यह नामकरण सरल है, चूंकि फर्मेट वक्र सुपर-दीर्घवृत्त के विशेष स्थिति को संदर्भित करता है जो इस प्रकार आकार की लंबाई को ए और चौड़ाई को बी के अनुपात पर प्रतिबंधित करता है (वे समान होना चाहिए, इस प्रकार ए = बी = 1 रहता हैं।) और वक्र n की डिग्री को सम पूर्णांक (2, 4, 6, 8 आदि) तक सीमित करता है। n डिग्री वाली आकृति के कोनों की वक्रता को नियंत्रित करता है। आदर्श रूप से, कम ध्वनि और उच्च भरण कारक दोनों के लिए डायोड के आकार को अनुकूलित करने के लिए, आकार के पैरामीटर इन प्रतिबंधों से मुक्त होने चाहिए।

एसपीएडी सक्रिय क्षेत्रों के बीच अंतर को कम करने के लिए, शोधकर्ताओं ने सरणियों से सभी सक्रिय परिपथ को हटा दिया है[9] और एसपीएडी गार्ड रिंग को पीएमओएस एन-वेल स्पेसिंग नियमों से हटाने के लिए एनएमओएस केवल सीएमओएस एसपीएडी सरणियों के उपयोग का भी पता लगाया है।[10] यह लाभ है किन्तु बड़े सरणियों के लिए केंद्र स्पैड्स में दूरी और भीड़ को रूट करके सीमित है। तथाकथित मिनी-एसआईपीएम व्यवस्था में एसपीएडी के क्लस्टर का उपयोग करने वाली सरणी विकसित करने के लिए अवधारणा को विस्तारित किया गया है,[9] जिससे किनारे पर इसकी सक्रिय परिपथ के साथ छोटी सरणी प्रदान की जाती है, जिससे दूसरी छोटी सरणी को अलग किनारे पर समाप्त किया जा सकता है। इस प्रकार इसने क्लस्टर में डायोड की संख्या को प्रबंधित करने योग्य बनाकर और उन क्लस्टरों के संग्रह से आवश्यक संख्या में एसपीएडी बनाकर रूटिंग कठिनाइयों को कम करता हैं।

सीएमओएस प्रक्रियाओं में एसपीएडी के गहरे एन-वेल को साझा करके भरण कारक और सरणी पिक्सेल पिच में महत्वपूर्ण उछाल प्राप्त किया गया था।[11][9] और हाल ही में गार्ड-रिंग संरचना के भाग भी साझा कर रहे हैं।[12] इसने गार्ड-रिंग पृथक्करण नियमों में से प्रमुख गार्ड-रिंग को हटा दिया और भरण-कारक को 60 या 70% की ओर बढ़ने दिया था।[13] [14][15] इस प्रकार पिक्सेल पिच को कम करने और सरणी में डायोड की कुल संख्या बढ़ाने के प्रयासों में एन-वेल और गार्ड रिंग शेयरिंग विचार महत्वपूर्ण रहा है। इस प्रकार हाल ही में स्पैड पिचों को घटाकर 3.0 यूएम और 2.2 यूएम कर दिया गया है[16] ।[12]

फोटोडायोड्स और एपीडी से अवधारणा को पोर्ट करते हुए, शोधकर्ताओं ने एसपीएडी के सक्रिय पीएन जंक्शन की ओर फोटो जनित वाहकों को आकर्षित करने के लिए सीएमओएस सब्सट्रेट के भीतर ड्रिफ्ट इलेक्ट्रिक फील्ड के उपयोग की भी जांच की है।[17] ऐसा करने से छोटे स्पैड क्षेत्र के साथ बड़ा ऑप्टिकल संग्रह क्षेत्र प्राप्त किया जा सकता है।

सीएमओएस प्रतिबिंब संवेदक प्रौद्योगिकियों से पोर्ट की गई अन्य अवधारणा, फोवोन X3 सूचक सूचक के समान स्टैक्ड पी-एन जंक्शनों की खोज है। विचार यह है कि उच्च-ऊर्जा फोटॉन (नीला) कम अवशोषण गहराई पर अवशोषित होते हैं, अर्थात सिलिकॉन सतह के पास।[18] इस प्रकार लाल और इन्फ्रा-रेड फोटॉन (कम ऊर्जा) सिलिकॉन में गहराई तक जाते हैं। यदि उस गहराई पर कोई जंक्शन है, तो लाल और IR संवेदनशीलता में सुधार किया जा सकता है।[19][20]

आईसी निर्माण में सुधार

त्रि-आयामी एकीकृत परिपथ की प्रगति के साथ, अर्थात एकीकृत परिपथ का ढेर, शीर्ष मरने को उच्च भरण-कारक एसपीएडी सरणी के लिए अनुकूलित करने और रीडआउट परिपथ और संकेत प्रक्रिया के लिए निचले मरने की अनुमति देकर भरण कारक को और बढ़ाया जा सकता है।[21] छोटे आयामों के रूप में, ट्रांजिस्टर के लिए उच्च गति प्रक्रियाओं को वैकल्पिक रूप से संवेदनशील डायोड की तुलना में भिन्न अनुकूलन की आवश्यकता हो सकती है, 3डी-आईसी परतों को अलग से अनुकूलित करने की अनुमति देते हैं।

पिक्सेल-स्तरीय ऑप्टिकल सुधार

सीमाॅस इमेज सूचक के समान माइक्रोलेंस को स्पैड के केंद्र में प्रकाश को केंद्रित करने के लिए स्पैड पिक्सेल सरणी पर गढ़ा जा सकता है।[22] इस प्रकार एसपीएडी के साथ यह प्रकाश को केवल संवेदनशील क्षेत्रों को हिट करने की अनुमति देता है और सरणी के भीतर आवश्यक गार्ड रिंग और किसी भी रूटिंग से बचता है। इसमें हाल ही में फ्रेस्नेल प्रकार के लेंस भी सम्मिलित किए गए हैं।[23]

पिक्सेल पिच

उपरोक्त फिल-फैक्टर एन्हांसमेंट मेथड्स, जो ज्यादातर स्पैड ज्योमेट्री के साथ-साथ अन्य उन्नति पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं, ने हाल ही में 1 मेगा पिक्सेल बैरियर को पुश करने के लिए स्पैड सरणियों का नेतृत्व किया है।[24] जबकि यह सीमाॅस प्रतिबिंब संवेदकों (0.8 um से नीचे की पिचों के साथ) से पीछे रहता है, इस प्रकार यह अनुसंधान क्षेत्र के युवाओं (2003 में प्रारंभ किए गए सीमाॅस स्पैड्स के साथ) और उच्च वोल्टेज की जटिलताओं, सिलिकॉन के भीतर हिमस्खलन गुणन और आवश्यक दोनों का रिक्ति नियम उत्पाद है।

एपीडी के साथ तुलना

जबकि हिमस्खलन फोटोडायोड और एसपीएडी दोनों अर्धचालक पी-एन जंक्शन हैं जो अत्यधिक व्युत्क्रम बायस्ड हैं, इस प्रकार इसके गुणों में सिद्धांत अंतर उनके अलग-अलग बायसिंग बिंदुओं से व्युत्क्रम IV विशेषता, अर्थात उनके जंक्शन पर लागू व्युत्क्रम वोल्टेज से प्राप्त होता है।[1] स्पैड की तुलना में हिमस्खलन फोटोडायोड, इसके ब्रेकडाउन वोल्टेज के ऊपर पक्षपाती नहीं है। ऐसा इसलिए है क्योंकि आवेश वाहकों का गुणन यूक्तियों के टूटने से पहले होने के लिए जाना जाता है, इस प्रकार जिसका उपयोग स्थिर लाभ प्राप्त करने के लिए किया जाता है जो कि लागू वोल्टेज के साथ परिवर्तित रहता है।[25][26] ऑप्टिकल संसूचक अनुप्रयोगों के लिए, परिणामी हिमस्खलन और इसके बायसिंग परिपथ में बाद की धारा ऑप्टिकल संकेत की तीव्रता से रैखिक रूप से संबंधित है।[18] इसलिए एपीडी कम-तीव्रता वाले ऑप्टिकल संकेतों के मध्यम अप-फ्रंट प्रवर्धन को प्राप्त करने के लिए उपयोगी है, किन्तु अधिकांशतः इसे ट्रांसिम्पेडेंस प्रवर्धक (टीआईए) के साथ जोड़ा जाता है क्योंकि इस प्रकार एपीडी का आउटपुट विशिष्ट प्रवर्धक के वोल्टेज के अतिरिक्त धारा होता है। परिणामी संकेत इनपुट का गैर-विकृत, प्रवर्धित संस्करण है, जो जटिल प्रक्रियाओं के माप की अनुमति देता है जो घटना प्रकाश के आयाम को नियंत्रित करता है। इस प्रकार एपीडी के लिए आंतरिक गुणन लाभ कारक आवेदन के अनुसार भिन्न होते हैं, चूंकि विशिष्ट मूल्य कुछ सैकड़ों के क्रम के होते हैं। इस ऑपरेटिंग क्षेत्र में वाहकों का हिमस्खलन भिन्न नहीं होता है, जबकि स्पैड्स में सम्मिलित हिमस्खलन जल्दी से रन-अवे (अपसारी) स्थिति में निर्मित होता है।[2] इसकी तुलना में, एसपीएडी ब्रेकडाउन वोल्टेज के ऊपर बायस वोल्टेज पर कार्य करते हैं। यह इतना अस्थिर ऊपर-ब्रेकडाउन स्थिति है जो एकल फोटॉन या एकल डार्क-धारा इलेक्ट्रॉन वाहकों के महत्वपूर्ण हिमस्खलन को लक्षित कर सकता है।[1] इस प्रकार अर्धचालक पी-एन जंक्शन पूर्ण रूप से टूट जाता है, और महत्वपूर्ण धारा विकसित होता है। इस प्रकार एकल फोटॉन प्रति सेकंड अरबों इलेक्ट्रॉनों के बराबर धारा स्पाइक को लक्षित कर सकता है (यह यूक्तियों के भौतिक आकार और इसके बायस वोल्टेज पर निर्भर होने के साथ उपयोग किया जाता हैं)। यह बाद के इलेक्ट्रॉनिक परिपथों को ऐसी लक्षित घटनाओं को आसानी से गिनने की अनुमति देता है।[27] चूंकि यूक्तियों लक्षित इवेंट उत्पन्न करता है, इस प्रकार लाभ की अवधारणा कठोरता से संगत नहीं होती है। यद्यपि स्पैड्स की फोटॉन संसूचक दक्षता (पीडीई) व्युत्क्रम बायस वोल्टेज के साथ बदलती है,[2][28] लाभ, सामान्य वैचारिक अर्थ में उन उपकरणों को अलग करने के लिए उपयोग किया जा सकता है जो इस प्रकार अत्यधिक पक्षपाती रहता हैं और इसलिए हल्के से पक्षपाती और इसलिए कम संवेदनशीलता की तुलना में अत्यधिक संवेदनशील हैं। जबकि एपीडी आयाम में किसी भी परिवर्तन को संरक्षित करते हुए इनपुट संकेत को बढ़ा सकते हैं, स्पैड संकेत को लक्षित या पल्स इवेंट्स की श्रृंखला में विकृत कर देते हैं। इस प्रकार आउटपुट को अभी भी इनपुट संकेत की तीव्रता के समानुपाती माना जा सकता है, चूंकि अब इसे लक्षित इवेंट की आवृत्ति, अर्थात पल्स-फ्रीक्वेंसी मॉड्यूलेशन (पीएफएम) में परिवर्तित कर दिया गया है। उक्त पल्सेस गिनी जा सकती हैं[5] इन इनपुट संकेतों की ऑप्टिकल तीव्रता का संकेत दे रहा है, जबकि पल्सेस त्रुटिहीन समय-समय पर माप प्रदान करने के लिए समय परिपथ को लक्षित कर सकती हैं।[1][2]

हिमस्खलन फोटोडायोड में सम्मिलित महत्वपूर्ण विवादों के लिए हिमस्खलन गुणन प्रक्रिया की सांख्यिकीय भिन्नता से प्रेरित गुणन ध्वनि है।[25][2] यह आउटपुट प्रवर्धित फोटो धारा पर संबंधित ध्वनि कारक की ओर जाता है। इस प्रकार स्पैड उपकरणों में हिमस्खलन में सांख्यिकीय भिन्नता भी सम्मिलित है, चूंकि इस प्रकार अग्रेषित प्रक्रिया के कारण यह अधिकांशतः पता लगाने की घटना पर टाइमिंग जिटर के रूप में प्रकट होता है।[2]

इस प्रकार उनके पूर्वाग्रह क्षेत्र के साथ, एपीडी और स्पैड्स के बीच संरचनात्मक अंतर भी हैं, इस प्रकार मुख्य रूप से आवश्यक व्युत्क्रम बायस वोल्टेज में वृद्धि के कारण और स्पैड्स के लिए ध्वनि लक्षित घटनाओं के बीच लंबी मौन अवधि के लिए एकल-फोटॉन स्तर के संकेतों के मापे जाने के लिए उपयुक्त होने की आवश्यकता है।

इतिहास, विकास और प्रारंभिक अग्रदूत

एसपीएडी और एपीडी का इतिहास और विकास ठोस स्थिति के अनुसार प्रौद्योगिकियों जैसे डायोड और प्रारंभिक पी-एन जंक्शन ट्रांजिस्टर (विशेष रूप से बेल लैब्स में युद्ध-प्रयास) के विकास के साथ कई महत्वपूर्ण बिंदुओं को साझा करता है। इस प्रकार 1901 और 1903 में जॉन सीली टाउनसेंड ने वैक्यूम ट्यूबों के भीतर ट्रेस गैसों के आयनीकरण की जांच की, जिसमें पाया गया कि जैसे-जैसे विद्युत की क्षमता बढ़ती है, गैसीय परमाणु और अणु विद्युत क्षेत्र के माध्यम से त्वरित मुक्त इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा से आयनित हो सकते हैं। इस प्रकार नए मुक्त इलेक्ट्रॉनों को तब क्षेत्र द्वारा त्वरित किया गया था, जो इस प्रकार उनकी गतिज ऊर्जा पर्याप्त स्तर तक पहुंच जाने के बाद नए आयनीकरण का निर्माण किया था। यह सिद्धांत बाद में थाइरेट्रॉन और गीजर-मुलर ट्यूब या गीजर-मुलर ट्यूब के विकास में सहायक था। टाउनसेंड डिस्चार्ज सिलिकॉन और जर्मेनियम दोनों के भीतर इलेक्ट्रॉन गुणन घटना (डीसी और एसी दोनों) के लिए आधार सिद्धांत के रूप में भी सहायक था।

चूंकि, हिमस्खलन लाभ तंत्र की प्रारंभिक खोज और उपयोग में प्रमुख प्रगति जेनर टूटना , संबंधित (हिमस्खलन ब्रेकडाउन या हिमस्खलन) ब्रेकडाउन तंत्र और प्रारंभिक सिलिकॉन और जर्मेनियम ट्रांजिस्टर और पी-एन जंक्शन उपकरणों में संरचनात्मक त्रुटियों के अध्ययन का उत्पाद था।[29] इस प्रकार इन त्रुटियों को 'माइक्रोप्लाज्मा' कहा जाता था और एपीडी और एसपीएडी के इतिहास में महत्वपूर्ण हैं। इसी तरह पी-एन जंक्शनों के प्रकाश पहचान गुणों की जांच महत्वपूर्ण है, विशेष रूप से रसेल ओहल के 1940 के दशक के प्रारंभिक निष्कर्ष हैं। फोस्टर निक्स के साथ आंतरिक फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के माध्यम से अर्धचालकों और ठोस पदार्थों में प्रकाश का पता लगाना पुराना है। [30] इस प्रकार 1920 के दशक में गुडन और पोहल के कार्य की ओर इंगित करते हुए किया जाता हैं, जो क्रमशः आंतरिक और बाहरी फोटोइलेक्ट्रिक प्रभावों को अलग करने के लिए प्राथमिक और द्वितीयक वाक्यांश का उपयोग करते हैं। इस प्रकार 1950 और 1960 के दशक में इसके अध्ययन के लिए गढ़े गए कृत्रिम माइक्रोप्लाज्मा के साथ, माइक्रोप्लाज्मा ब्रेकडाउन और ध्वनि स्रोतों की संख्या को कम करने के लिए महत्वपूर्ण प्रयास किए गए थे। इस प्रकार यह स्पष्ट हो गया कि डायोड के भीतर संकेत प्रवर्धन के लिए हिमस्खलन तंत्र उपयोगी हो सकता है, क्योंकि इन उपकरणों और ब्रेकडाउन तंत्र के अध्ययन के लिए प्रकाश और अल्फा कण दोनों का उपयोग किया गया था।

2000 के दशक की प्रारंभ में, स्पैड्स को सीमाॅस प्रक्रियाओं के भीतर लागू किया गया है। इसने उनके प्रदर्शन (डार्क काउंट रेट, जिटर, एरे पिक्सेल पिच आदि) को मौलिक रूप से बढ़ा दिया है, और इन उपकरणों के साथ लागू किए जा सकने वाले एनालॉग और डिजिटल परिपथ का लाभ उठाया है। इन उल्लेखनीय परिपथों में तेजी से डिजिटल काउंटरों का उपयोग करके फोटॉन की गणना, समय-से-डिजिटल परिवर्तक (टीडीसीएस) और समय-टू-एनालॉग परिवर्तक (टीएसी) दोनों का उपयोग करके फोटॉन टाइमिंग, पॉली-सिलिकॉन प्रतिरोधों के स्थान पर एनएमओएस या पीएमओएस ट्रांजिस्टर का उपयोग करने वाले निष्क्रिय शमन परिपथ सम्मिलित हैं। इस प्रकार उच्च गणना दरों के लिए सक्रिय शमन और रीसेट परिपथ, और कई ऑन-चिप डिजिटल संकेत प्रक्रिया ब्लॉक के ऐसे उपकरण हैं, जो इस प्रकार अब 70% से अधिक के ऑप्टिकल फिल फैक्टर (इमेज सूचक) तक पहुंचते हैं, यह मुख्य रूप से 1024 स्पैड्स से अधिक होने के साथ, डीसीआर <10 Hz और 50ps क्षेत्र में जिटर मान के साथ अब 1-2ns के डेड समय के साथ उपलब्ध हैं। इस प्रकार हाल के उपकरणों ने 3डी-आईसी प्रौद्योगिकियों जैसे कि थ्रू-सिलिकॉन-वियास (टीएसवी) को छोड़ दिया है जिससे कि समर्पित संकेत प्रक्रिया और रीडआउट सीएमओएस परत (90 एनएम या 65 एनएम नोड) के साथ उच्च भरण-कारक एसपीएडी अनुकूलित शीर्ष सीएमओएस परत (90 एनएम या 65 एनएम 45 एनएम नोड) प्रस्तुत किया जा सके। इस प्रकार एसपीएडी के लिए ध्वनि की शर्तों में महत्वपूर्ण प्रगति सिलिकॉन प्रोसेस मॉडलिंग टूल जैसे टीसीएडी द्वारा प्राप्त की गई है, जहां प्रायोगिक एसपीएडी संरचनाओं द्वारा सत्यापन से पहले गार्ड रिंग, जंक्शन डेप्थ और यूक्तियों संरचनाओं और आकृतियों को अनुकूलित किया जा सकता है।

यह भी देखें

संदर्भ

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