Design of a high voltage active quenching circuit in 0.15 μm CMOS

Abstract

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer aktiven Quencher-Schaltung (AQC) für hohe Excess-Spannungen zum Betrieb von Einzelphoton-Lawinen-Dioden (SPAD). Die Schaltung wird in einer 0.15m komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) Technologie entwickelt. Die entwickelte Schaltung kann mit einerExcess-Spannung von bis zu 35V arbeiten und benötigt dabei 2.2ns zum Löschen eines Lawinendurchbruchs. Dadurch ist es möglich, die Verbesserung der spannungsabhängigen Eigenschaften von Einzelphotonendetektoren zu untersuchen, im speziellen die Steigerung der Photonen Detektions-Wahrscheinlichkeit (PDP). Zusätzlich reduziertdie kurze Zeitdauer, die zum Löschen eines Lawinendurchbruchs benötigt wird, die Wahrscheinlichkeit von sekundären Lawinendurchbrüchen. Das ist besonders wichtigbei hohen Excess-Spannungen. Im ersten Teil der Arbeit werden die Grundlagen von SPADs und die zu deren Betrieb notwendigen sogenannten Quencher-Schaltungen besprochen. Diese Quencher-Schaltungen gibt es in zwei Ausführungsformen, einerseits als passive (PQC) undals aktive (AQC) Quencher-Schaltungen mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen. Der Hauptteil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Design, der Entwicklung undAuswahl der notwendigen Schaltungsblöcke für die zu entwickelnde aktive Quencher-Schaltung. Darauf hin folgt eine Beschreibung des ausgewählten und implementierten Designs sowie Überlegungen zum zugehörigen physikalischen Layout. Schließlich wird die Leistungsfähigkeit der implementierten Quencher-Schaltung an Hand von Post-Layout Simulationen untersucht und mit dem Stand der Technik verglichen.

This thesis is about the design of a high voltage active quenching circuit (AQC) forexternal single-photon avalanche diodes (SPADs) in a 0.15m complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS)-process. The designed AQC can work with an excess biasvoltage up to 35V and has a quenching time of 2.2ns. With this circuit it is possibleto investigate the performance improvement of SPAD-detectors due to increased excessbias voltage, such as the increased photon-detection probability (PDP). Additionally,the short quenching time should reduce the afterpulsing probability (APP) which isespecially important when using high excess bias voltages. In the introduction the operating principles of SPADs are reviewed along with therequired so called quenching circuits for their proper operation. This quenching circuitscome in two dierent kinds which are passive quenching circuits (PQCs) and activequenching circuits (AQCs), with their advantages and disadvantages. The main part ofthis thesis is dedicated to the design, development and selection of the dierent circuit blocks needed for this AQC. Special attention was given to the avalanche detectioncircuit and the level shifter due to their impact on the quenching time, followed by adescription of the chosen and implemented design and considerations regarding thephysical layout of the designed circuit. Lastly the performance of the implementeddesign is evaluated via post-layout simulation and compared to State of the Art high voltage AQCs.