改进的PSpice单光子雪崩二极管电路模型

"这篇文章主要介绍了如何构建一个改进的单光子雪崩二极管(SPAD)的电路模型，用于在Orcad PSpice平台上进行设备仿真。该模型解决了传统模型可能遇到的收敛问题，提高了仿真效率，并能准确模拟SPAD的动态特性，包括其自我维持、自我抑制和恢复过程。" 单光子雪崩二极管（Single-Photon Avalanche Diode，SPAD）是一种非常敏感的光电探测器，特别适用于低光照条件下的单光子检测。在量子光学、生物医学成像以及光纤通信等领域有着广泛的应用。传统的SPAD电路模型在仿真过程中可能会遇到计算复杂度高或收敛性差的问题，影响了对SPAD实际性能的准确评估。 本文提出的改进模型采用了一种直观且简单的压控电流源来描述SPAD的静态行为。这种设计方法能够更精确地反映SPAD的电压-电流特性，同时降低了仿真计算的复杂性，有助于解决仿真过程中的收敛问题。通过这种方法，模型能够更好地捕捉SPAD在高反向偏压下产生的雪崩倍增效应，这是SPAD的核心工作原理。 SPAD的工作过程包括三个关键阶段：自我维持（self-sustaining）、自我抑制（self-quenching）和恢复（recovery）。在自我维持阶段，反向偏压使进入二极管的光子引发电子-空穴对的雪崩倍增，产生电信号；自我抑制阶段，当雪崩达到一定程度，内部的电荷积累使得二极管迅速关断，防止过大的电流；恢复阶段，二极管需要一段时间来清除剩余电荷，以便准备接受下一个光子。 利用Orcad PSpice这个强大的电路仿真工具，作者们能够利用标准库中的元件实现这一模型，验证其在模拟SPAD雪崩过程中的有效性。仿真结果显示，该模型能够给出合理的结果，成功地模拟了SPAD的雪崩过程，这对于理解和优化SPAD的设计，以及在实际应用中的性能预测具有重要意义。 这篇研究提供了一个实用且精确的SPAD电路模型，有助于科研人员和工程师更好地理解SPAD的物理机制，并在设计和优化SPAD系统时减少实验次数，提高工作效率。