An Efficient and Comprehensive Timing Jitter Model for Single Photon Avalanche Diodes

抖动 单光子雪崩二极管 雪崩二极管 二极管 光子 物理 光电子学 计算机科学 电子工程 雪崩光电二极管 光学 探测器 工程类 电压 量子力学 击穿电压
作者
Yang Liu,Yihan Zhao,Jin Hu,Rui Ma,Zhangming Zhu
出处
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:71 (10): 6116-6123 被引量:4
标识
DOI:10.1109/ted.2024.3438093
摘要

In this article, we propose an efficient and comprehensive timing jitter model for single photon avalanche diodes (SPADs). The statistics of the avalanche build-up, avalanche spread, and neutral region carrier transport time are fully considered in the model. The simulation of avalanche multiplication combines 1-D avalanche build-up and 2-D avalanche spread models to ensure the integrity of the avalanche physical process. Certain crucial parameters in the model are sourced from reliable TCAD simulation results, thus ensuring the accuracy and validity of the proposed approach. In addition, an efficient transport time TCAD simulation process without external solving of complex systems of partial differential equations is innovatively proposed. An SPAD based on a 130-nm complementary metal-oxide–semiconductor (CMOS) process was manufactured, and a 793-nm 50-fs Ti-sapphire laser was used to test the SPAD timing response to obtain an accurate timing jitter. The simulated and experimental timing jitter results were in accordance with each other. The model provides a reliable way to evaluate the timing performance during SPAD design and optimization.
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