【圖解】SPAD影像感測器最新資訊 2024

前言

SPAD（Single Photon Avalanche Diode）影像感測器是一種能檢測單一光子的高靈敏度光感測器。它擁有傳統CMOS與CCD影像感測器無法達到的靈敏度與時間解析度，被視為次世代影像技術的焦點。本篇文章將詳細介紹SPAD影像感測器的基本原理、技術特點、應用領域，以及當前的挑戰與未來的發展前景。

SPAD影像感測器的基本原理

何謂雪崩倍增效應

SPAD利用半導體的雪崩倍增效應來檢測光子。

雪崩倍增效應：在施加高電場的半導體中，光子會產生電子-電洞對，這些載子被加速後會透過撞擊電離產生其他載子，形成連鎖性的倍增現象。

運作原理

SPAD的運作可透過以下步驟來說明：

設定過電壓狀態：SPAD在超過半導體崩潰電壓的過電壓狀態下運作，這使得即使是單一光子也能引發雪崩倍增。
光子的吸收與載子生成：入射的光子在半導體內生成電子-電洞對。
雪崩倍增的啟動：生成的載子在強電場的作用下被加速，進而透過撞擊電離產生更多載子，形成雪崩倍增現象。
信號的檢測：此倍增的電流由檢測電路提取為脈衝信號。
淬滅（停止雪崩現象）：為了防止雪崩現象持續，淬滅電路會暫時降低電壓，停止雪崩過程。

淬滅機制

被動淬滅：利用電阻使電流自然減少，從而停止雪崩現象。此方法電路簡單，但響應速度較慢。
主動淬滅：使用開關電路強制降低電壓，快速停止雪崩現象，適合需要高速響應的應用場合。

SPAD影像感測器的技術特點

SPAD能檢測單一光子，因此具有極高的靈敏度，這在處理微弱光源的應用中尤為有用。

高時間解析度

皮秒級時間解析度：SPAD具有極高的響應速度，能夠高精度地記錄光子被檢測到的時間。
時間相關單光子計數（TCSPC）：利用此技術對光子到達時間進行統計，可實現高精度的時間解析。

像素陣列的構成

每個像素具有獨立的SPAD元件：SPAD影像感測器由大量SPAD元件組成的二維陣列構成。
周邊電路的集成：每個像素內嵌淬滅電路、計數器以及定時電路等功能模塊。

噪聲特性

暗計數率（DCR）：即使在無光條件下，也可能因熱激發等原因產生誤檢測。為了降低DCR，材料選擇和溫度控制至關重要。
後脈衝：雪崩後被困的載子可能再次引發雪崩，屬於一種噪聲現象。透過設置時間窗口來控制檢測以減少其影響。

串擾問題

光學串擾：雪崩產生的光子進入相鄰像素，導致誤檢測的現象。
電氣串擾：快速的電流變化會在電路中引入噪聲，影響其他像素的運作。
對策：光學方面在像素間設置遮光壁，電氣方面通過優化電路設計來減少串擾影響。

SPAD影像感測器的應用領域

LiDAR（Light Detection and Ranging）

距離測定：透過向目標物發射光脈衝並測量反射光的到達時間來計算距離。
高解析度3D建模：藉由SPAD的高速響應能力，可高空間解析度地捕捉周圍環境的三維信息。
自動駕駛應用：即時獲取精確的距離信息，為安全的自動駕駛系統提供支持。

生物醫學影像

螢光壽命影像（FLIM）：透過測量螢光物質的發光壽命，分析生物分子的狀態和周圍環境。
單分子檢測：檢測極其微弱的螢光信號，用於觀察DNA或蛋白質的動態行為。
優勢：具備非侵入性和高靈敏度的特點，能減輕對生體的負擔。

量子通信與量子加密

量子密鑰分配（QKD）：在單光子層級進行信息傳遞，實現高度安全的通信。
SPAD的角色：作為高靈敏度的單光子檢測器，對量子態的精確檢測至關重要。

天文學與太空探測

高靈敏度觀測：檢測來自遙遠恆星或星系的微弱光線。
時間解析觀測：適應快速變化的天體現象（例如：脈衝星的觀測）。

技術挑戰與解決方案

降低暗計數噪聲

低溫運作：透過降低溫度抑制熱激發，從而減少暗計數率。
材料與製程優化：使用高品質的半導體材料並改進製造工藝，以減少缺陷。

高集成度化與填充因子的提升

填充因子：指像素內能有效檢測光的區域比例。
對策：
- 微透鏡的使用：將入射光聚集到有效檢測區域，提高光子檢測效率。
- 3D堆疊技術：將電路與檢測元件垂直配置，提升面積利用效率。

功耗問題

省電力設計：通過優化電路設計和實現低電壓運作來降低功耗。
電源管理：引入控制機制，僅在必要時啟動電路運作。

抑制串擾與後脈衝

遮光壁設計：物理性地隔離像素間的光學干擾。
電路時序優化：在不易產生後脈衝的時間點運作電路。

結語

SPAD影像感測器以其卓越的靈敏度和時間解析度，支持著各個領域中的創新技術。儘管存在技術挑戰，但隨著研究與開發的進展，這些問題正逐步得到解決。未來，SPAD技術將在計量、通信、影像處理等領域中發揮重要作用，並對我們的生活與產業帶來深遠的變革。