Analysis of Single Photon Avalanche Photodetector

Fotodiode s lavinskom multiplikacijom za detekciju jednog fotona (engl. Single-photon avalanche diode, SPAD) poluvodički su fotodetektori koji rade pri naponima višim od probojnog napona, gdje čak i jedan foton može uzrokovati lavinsku multiplikaciju nosilaca. Nakon objašnjenja načina rada ovakvih fotodioda, definirali smo strukturu fotodiode u simulatoru karakteristika poluvodičkih komponenata i analizirali njezin rad. Ispitali smo statičke električke i optičke karakteristike diode, a zatim u tranzijentnim simulacijama odredili vrijeme do lavinske multiplikacije. Razvili smo i metode za simuliranje pojave naknadnih impulsa (engl. Afterpulsing). Nakon toga simulirali smo i specifične parametre fotodiode, kao što su frekvencija tamnih impulsa (engl. Dark count rate, DCR) i efikasnost detekcije fotona (engl. Photon detection efficiency, PDE). Na kraju smo optimirali strukturu fotodiode s ciljem poboljšanja ovih parametara.Single-photon avalanche diodes are semiconductor photodetectors operated above the breakdown voltage, where even a single photon can cause an avalanche multiplication of carriers. After explaining the operation of these photodiodes, we define a structure of the diode in a programme for simulating the characteristics of semiconductor devices and analyse its behaviour. We examine the electrical and optical characteristics of the diode, and then measure the time to avalanche using transient simulations. We also develop a method for simulating afterpulsing. Next, we simulate some specific parameters of the diode, such as the dark count rate and the photon detection efficiency. Finally, we optimise the structure to improve these parameters