SPICE Model of SPAD Transient Intrinsic Response Validated using Mixed-Mode TCAD Simulations

香料 瞬态(计算机编程) 瞬态响应 电阻器 电子工程 二极管 电容 等效电路 扩散电容 电压 光电子学 物理 计算机科学 材料科学 电气工程 工程类 电极 量子力学 操作系统
作者
Tom Klauner,Iman Sabri Alirezaei,Nicolas Roisin,Nicolás André,Denis Flandre
标识
DOI:10.1109/essderc59256.2023.10268486
摘要

This work presents a SPICE compact macro-model for the transient intrinsic response of a Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) pixel to a light pulse. The physical phenomena and related parameters are evaluated by performing mixed-mode TCAD simulations. The model is composed of three equivalent diode sub-circuits with their respective junction capacitance adapted to describe the successive mechanisms conditioning the intrinsic transient photo-response of the SPAD. After considering a light pulse, the SPICE model fairly reproduces the TCAD fast current pulse with a peak of about 2mA and a time constant of about 3ps, followed by a diffusion current response with a time constant of 35ps. It results in a self-sustaining current of about 8µA with a diode cathode voltage of 6.3V. Finally, it models the slow recharge through the quenching resistor with a time constant of 264ns. The proposed model facilitates the design of a compatible read-out circuit, e.g., with active recharge, by accurately reproducing physical current and voltage responses.

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