KR101344027B1

KR101344027B1 - Photon detector having coupling capacitor

Info

Publication number: KR101344027B1
Application number: KR1020100073374A
Authority: KR
Inventors: 민봉기; 심재식; 오명숙; 김기수; 권용환; 남은수
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2009-12-09
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2013-12-24
Anticipated expiration: 2030-07-29
Also published as: KR20110065285A

Abstract

본 발명은 가이거 모드로 동작하는 광검출기에 관한 것이다. 본 발명의 실시 예에 따른 광검출기는, 아발란치 포토다이오드, 상기 아발란치 포토다이오드의 일단에 바이어스 전압을 제공하는 바이어스 회로, 상기 아발란치 포토다이오드의 타단에 연결되며, 상기 아발란치 포토다이오드에 발생하는 광전류를 검출하기 위한 검출 회로, 그리고 상기 아발란치 포토다이오드의 일단 또는 타단에 연결되며, 상기 아발란치 포토다이오드를 가이거 모드로 구동하기 위한 커플링 전압을 제공하는 커플링 커패시터를 포함한다.The present invention relates to a photodetector operating in Geiger mode. The photodetector according to the embodiment of the present invention, an avalanche photodiode, a bias circuit for providing a bias voltage to one end of the avalanche photodiode, is connected to the other end of the avalanche photodiode, the avalanche A detection circuit for detecting a photocurrent generated in the photodiode, and a coupling capacitor connected to one or the other ends of the avalanche photodiode and providing a coupling voltage for driving the avalanche photodiode in a Geiger mode. It includes.

Description

Photodetectors with coupling capacitors {PHOTON DETECTOR HAVING COUPLING CAPACITOR}

본 발명은 전자 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 아발란치 포토다이오드를 가이거 모드로 구동하는 광검출기에 관한 것이다.The present invention relates to an electronic device, and more particularly to a photodetector for driving an avalanche photodiode in a Geiger mode.

최근까지 다양한 광 검출 소자들이 개발되어 왔다. 특히, 반도체 광 검출 소자는 이득의 존재 여부에 따라 PN 및 PIN 광검출기와 아발란치 광검출기(Avalanche photodetector)로 구분될 수 있다. PN 및 PIN 광검출기는 검출되는 광의 세기에 비례하여 흐르는 광전류를 통해서 광을 검출한다. 반면에, 아발란치 광검출기는 검출광에 대한 민감도를 더욱 높이기 위해서, 아발란치 과정(Avalanche Process)을 통해서 이득을 제공한다. Various photodetecting devices have been developed until recently. In particular, the semiconductor photodetector can be classified into a PN and PIN photodetector and an Avalanche photodetector according to the presence of a gain. The PN and PIN photodetectors detect light through a photocurrent flowing in proportion to the intensity of the light detected. On the other hand, the Avalanche photodetector provides a benefit through the Avalanche Process to further increase the sensitivity to the detection light.

그러나, 아발란치 과정을 통해서 구현될 수 있는 이득에도 한계가 있다. 이득의 한계를 해결하기 위한 방법이 아발란치 포토다이오드를 가이거 모드(Gieger mode)로 구동하는 것이다. 즉, 아발란치 포토다이오드(APD)를 항복 전압 이상의 역바이어스를 인가하면, 더 높은 이득이 구현될 수 있다. 이러한 바이어스 조건으로 아발란치 포토다이오드(APD)를 구동하는 것을 가이거 모드(Geiger mode)라 한다. 가이거 모드에서는, 이론적으로 단일 광자(Single Photon)의 검출이 가능하다. However, there are limits to the benefits that can be realized through the Avalanche process. One way to solve the limitation of gain is to drive the Avalanche photodiode in Geiger mode. In other words, when a reverse bias of more than the breakdown voltage is applied to the avalanche photodiode (APD), a higher gain can be realized. Driving the avalanche photodiode (APD) under such a bias condition is called Geiger mode. In Geiger mode, the detection of a single photon is theoretically possible.

일반적으로, 아발란치 포토다이오드(APD)는 항복 전압(V_BR)보다 낮은 역바이어스 상태에서는 상대적으로 낮은 이득을 제공한다. 그 대신, 항복 전압보다 낮은 역바이어스 상태에서, 아발란치 포토다이오드(APD)는 입사되는 광자량에 비례하여 광전류(Photoelectric current)를 생성하는 선형 특성을 제공한다. 하지만, 가이거 모드(Geiger mode)에서 아발란치 포토다이오드(APD)는 더 이상 광자량에 비례하는 광전류(Photoelectric current)를 생성하지 않는다. 대신, 아발란치 포토다이오드(APD)는 가이거 모드에서 선형 특성 영역에서의 이득보다 더 훨씬 큰 이득을 제공한다. 따라서, 가이거 모드에서는 저광량의 광검출이 가능하다. 더불어, 가이거 모드에서는 선형 모드일 때보다 상대적으로 큰 광전류(Photoelectric current)를 제공하므로 별도의 복잡한 저잡음 증폭기 없이 용이한 광검출이 가능하다.In general, avalanche photodiodes (APDs) provide relatively low gain in reverse bias conditions below the breakdown voltage (V _BR ). Instead, in a reverse bias state below the breakdown voltage, the avalanche photodiode (APD) provides a linear characteristic that produces a photoelectric current in proportion to the incident photon weight. However, in Geiger mode, avalanche photodiodes (APDs) no longer produce photoelectric currents that are proportional to photon weight. Instead, avalanche photodiodes (APDs) provide much greater gains than gains in the linear characteristic region in Geiger mode. Therefore, low light quantity detection is possible in Geiger mode. In addition, Geiger mode provides a relatively larger photoelectric current than linear mode, allowing easy photodetection without the need for a complex low noise amplifier.

최근에는, 아발란치 포토다이오드(APD)의 응용을 위한 많은 시도가 이루어지고 있다. 특히, 3차원 영상을 구현하기 위한 광센서로 사용하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 예를 들면, 아발란치 포토다이오드(APD)를 사용하는 광검출기를 어레이로 구성하고, 단일 레이저 펄스를 조사하여 반사되는 빛들을 검출하면 사물의 전체적인 3차원 입체 구조에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이러한 장치를 3차원 영상 라이다(LIght Detection And Ranging: LIDAR) 시스템이라고도 칭한다. Recently, many attempts have been made for the application of avalanche photodiodes (APDs). In particular, research has been actively conducted for use as an optical sensor for realizing a 3D image. For example, if a photodetector using an avalanche photodiode (APD) is configured in an array and the reflected light is detected by irradiating a single laser pulse, information on the overall three-dimensional structure of the object may be obtained. Such a device is also referred to as a 3D image detection and Ranging (LIDAR) system.

사물에서 산란되어 검출기 어레이로 돌아오는 광자의 수는 거리가 멀어질수록 감소한다. 따라서, 검출되는 신호는 미약하다. 이러한 미약한 신호를 검출하기 위해서는 광검출기 어레이는 가이거 모드로 구동되는 것이 바람직하다. 또한, 광검출기 어레이를 2차원 초점면에 형성하기 위한 집적 회로로 구성하고, 광검출 효율을 극대화시키기 위한 기술들에 대한 요구가 절실한 실정이다. The number of photons scattered from the object and returned to the detector array decreases over distance. Thus, the detected signal is weak. In order to detect such weak signals, the photodetector array is preferably driven in Geiger mode. In addition, there is an urgent need for technologies for forming a photodetector array in an integrated circuit for forming a two-dimensional focal plane and maximizing photodetection efficiency.

본 발명은 항복 전압이 동일하지 않은 아발란치 포토다이오드들을 셀 어레이로 구성할 때, 가이거 모드 또는 퀀칭 모드로의 전환 특성을 일정하게 매칭시킬 수 있는 기술을 제공하는 데 있다.The present invention is to provide a technique that can consistently match the switching characteristics to Geiger mode or quench mode when configuring avalanche photodiodes with the same breakdown voltage as a cell array.

본 발명은 집적화에 유리하고, 최적의 가이거 모드 또는 퀀칭 모드 구동이 가능한 커플링 커패시터를 포함하는 광검출기를 제공하는 데 있다. It is an object of the present invention to provide a photodetector comprising a coupling capacitor which is advantageous for integration and capable of driving optimal Geiger or quenching modes.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 광검출기는, 아발란치 포토다이오드, 상기 아발란치 포토다이오드의 일단에 바이어스 전압을 제공하는 바이어스 회로, 상기 아발란치 포토다이오드의 타단에 연결되며, 상기 아발란치 포토다이오드에 발생하는 광전류를 검출하기 위한 검출 회로, 그리고 상기 아발란치 포토다이오드의 일단 또는 타단에 연결되며, 상기 아발란치 포토다이오드를 가이거 모드로 구동하기 위한 커플링 전압을 제공하는 커플링 커패시터를 포함한다. Photo detector according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, a bias circuit for providing a bias voltage to one end of the avalanche photodiode, the avalanche photodiode, connected to the other end of the avalanche photodiode A detection circuit for detecting photocurrent generated in the avalanche photodiode, and one or the other end of the avalanche photodiode, and a coupling voltage for driving the avalanche photodiode in Geiger mode It includes a coupling capacitor to provide.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광검출기는 각각이 아발란치 포토다이오드와 상기 아발란치 포토다이오드의 일단 또는 타단에 가변적인 커플링 전압을 제공하기 위한 커플링 커패시터를 포함하고, 상기 복수의 광검출 셀들 각각의 일단으로 바이어스 전압을 제공하는 바이어스 회로, 그리고 상기 복수의 광검출 셀들 각각의 아발란치 포토다이오드의 일단 또는 타단에 연결되며, 가이거 모드 동작시 복수의 광검출 셀들로부터 감지되는 광전류를 검출하는 검출 회로를 포함한다. According to another aspect of the present invention, a photodetector includes a coupling capacitor for providing a variable coupling voltage to one or the other end of an avalanche photodiode and the avalanche photodiode. And a bias circuit for providing a bias voltage to one end of each of the plurality of photodetection cells, and one end or the other end of an avalanche photodiode of each of the plurality of photodetection cells, the plurality of photodetectors in Geiger mode operation. And a detection circuit for detecting the photocurrent sensed from the cells.

이상에서 기술된 본 발명 실시 예에 따르면, 아발란치 포토다이오드를 포함하는 광검출기를 용이하게 집적 회로로 구성할 수 있다. According to the exemplary embodiments described above, the photodetector including the avalanche photodiode can be easily configured as an integrated circuit.

또한, 커플링 커패시터를 이용하여 각각의 아발란치 포토다이오드를 서로 다른 바이어스 전압으로 구동하여 각각의 검출기의 동작 특성 편차를 용이하게 조정할 수 있다.In addition, by using a coupling capacitor, each avalanche photodiode can be driven with a different bias voltage to easily adjust the operating characteristic variation of each detector.

그리고 커플링 커패시터를 이용하여 낮은 전압으로 아발란치 포토다이오드를 퀀칭(Quenching)할 수 있다. 이러한 조건은, 애프터 펄싱(After pulsing) 현상을 현격하게 감소시키고, 이로 인하여 다른 동작 특성을 개선할 수 있는 장점을 제공한다. Using a coupling capacitor, the avalanche photodiode can be quenched at low voltage. This condition significantly reduces the after pulsing phenomenon, thereby providing the advantage of improving other operating characteristics.

도 1은 아발란치 포토다이오드의 특성을 보여주는 도면;
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광검출기를 보여주는 블록도;
도 3은 도 2의 광검출기의 특징을 보여주는 타이밍도;
도 4는 도 2의 광검출기의 변형된 형태를 보여주는 블록도;
도 5는 도 4의 광검출기의 특징을 보여주는 타이밍도;
도 6a는 도 2의 광검출기를 어레이로 구성한 다른 실시 예를 보여주는 블록도;
도 6b는 도 4의 광검출기를 어레이로 구성한 또 다른 실시 예를 보여주는 블록도;
도 7은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 광검출기를 보여주는 블록도;
도 8a 및 도 8b는 가변형으로 구성되는 도 7의 커플링 커패시터들의 실시 예들을 간략히 보여주는 회로도;
도 9는 도 7의 광검출기를 어레이로 구성한 또 다른 실시 예를 보여주는 블록도; 및
도 10은 도 9의 광검출기의 동작 특성을 보여주는 타이밍도.1 shows characteristics of an avalanche photodiode;
2 is a block diagram showing a photodetector according to a first embodiment of the present invention;
3 is a timing diagram illustrating features of the photodetector of FIG. 2;
4 is a block diagram showing a modified form of the photodetector of FIG.
5 is a timing diagram illustrating features of the photodetector of FIG. 4;
FIG. 6A is a block diagram illustrating another embodiment in which the photodetectors of FIG. 2 are configured in an array; FIG.
FIG. 6B is a block diagram showing another embodiment in which the photodetectors of FIG. 4 are configured in an array; FIG.
7 is a block diagram showing a photodetector according to a second embodiment of the present invention;
8A and 8B are circuit diagrams schematically showing embodiments of the coupling capacitors of FIG. 7 configured in a variable form;
FIG. 9 is a block diagram showing another embodiment in which the photodetectors of FIG. 7 are configured in an array; FIG. And
10 is a timing diagram showing operating characteristics of the photodetector of FIG.

앞의 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두 예시적이라는 것이 이해되어야 하며, 청구된 발명의 부가적인 설명이 제공되는 것으로 여겨져야 한다. 참조 부호들이 본 발명의 바람직한 실시 예들에 상세히 표시되어 있으며, 그것의 예들이 참조 도면들에 표시되어 있다. 가능한 어떤 경우에도, 동일한 참조 번호들이 동일한 또는 유사한 부분을 참조하기 위해서 설명 및 도면들에 사용된다. 이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and should provide a further description of the claimed invention. Reference numerals are shown in detail in the preferred embodiments of the present invention, examples of which are shown in the drawings. Wherever possible, the same reference numbers are used in the description and drawings to refer to the same or like parts. DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention.

도 1은 아발란치 포토다이오드(APD)의 특성을 보여주는 그래프이다. 도 1을 참조하면, 아발란치 포토다이오드(APD)의 전류-전압(I-V) 특성이 나타나 있다. 1 is a graph showing the characteristics of Avalanche photodiode (APD). Referring to FIG. 1, current-voltage (I-V) characteristics of an avalanche photodiode (APD) are shown.

순방향 바이어스시, 아발란치 포토다이오드(APD)는 문턱 전압(예를 들면, 약 0.7V) 이상에서 턴온(Turn on)된다. 역방향 바이어스시, 외부에서 인가한 전압이 항복 전압(V_BR) 이상이 되면 아발란치 포토다이오드(APD)의 PN 접합면에서 높은 전계가 형성된다. 이때, 전자-정공 쌍(Electron-Hole pair)이 생성되고 연속적인 이온화 과정을 거쳐 전류로 증폭되는 전자 눈사태 현상(Avalanche effect)이 발생한다. 이 시점에서는 역방향 전류가 급격히 증가하게 된다. In forward bias, the avalanche photodiode (APD) is turned on above a threshold voltage (eg, about 0.7V). In the reverse bias, when the externally applied voltage becomes more than the breakdown voltage (V _BR ), a high electric field is formed at the PN junction surface of the avalanche photodiode (APD). At this time, an electron avalanche effect is generated in which an electron-hole pair is generated and amplified by current through a continuous ionization process. At this point, the reverse current rapidly increases.

아발란치 포토다이오드(APD)의 가이거 모드는 항복 전압(V_BR) 이상의 역바이어스 조건에서 수행되는 광검출 동작을 의미한다. 아발란치 포토다이오드(APD)는 항복 전압(V_BR) 이하의 역바이어스 조건에서는 저이득 및 선형적인 광자 검출 특성을 갖는다. 즉, 아발란치 포토다이오드(APD)는 입사된 광자의 수에 비례하는 광전류를 생성한다. 하지만, 아발란치 포토다이오드(APD)는 가이거 모드에서는 선형적인 광검출 특성을 잃어버린다. 광검출을 위한 가이거 모드에서, 아발란치 포토다이오드(APD)는 선형 특성을 잃어버리는 대신 큰 이득을 제공한다. The Geiger mode of the avalanche photodiode (APD) refers to a photodetection operation performed under a reverse bias condition equal to or higher than the breakdown voltage V _BR . The avalanche photodiode (APD) has low gain and linear photon detection characteristics under reverse bias conditions below the breakdown voltage (V _BR ). That is, the avalanche photodiode APD generates a photocurrent proportional to the number of incident photons. However, Avalanche photodiodes (APDs) lose linear photodetection in Geiger mode. In Geiger mode for photodetection, avalanche photodiodes (APDs) provide large gains instead of losing linear characteristics.

가이거 모드에서, 아발란치 포토다이오드(APD)는 이론적으로는 단일 광자(Single photon)를 검출하여 광전류(가이거 전류)로 생성할 수 있다. 따라서, 가이거 모드에서는 상대적으로 큰 광전류를 생성할 수 있으므로 별도의 복잡한 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier) 없이 광자를 검출할 수 있다.In Geiger mode, avalanche photodiodes (APDs) can theoretically detect single photons and generate them as photocurrents (Geiger currents). Accordingly, in Geiger mode, a relatively large photocurrent can be generated, so that photons can be detected without a separate low noise amplifier.

아발란치 포토다이오드(APD)를 가이거 모드로 구동하기 위해서 고려해야 할 중요한 요소들이 있다. 첫째는, 얼마나 높은 역바이어스 전압(항복 전압보다 높은)을 인가해야 하는가이다. 둘째는, 항복 전압보다 높은 역바이어스 전압을 얼마나 오래 가할 것인가이다. 그리고 셋째는, 항복 전압보다 높은 역바이어스 상태인 가이거 모드에서 얼마나 효율적으로 빠져나올 것인가이다. There are important factors to consider in order to run Avalanche Photodiode (APD) in Geiger mode. The first is how high a reverse bias voltage (higher than the breakdown voltage) should be applied. Second, how long will the reverse bias voltage be higher than the breakdown voltage? And thirdly, how efficiently will you exit the Geiger mode, which is in a reverse bias state higher than the breakdown voltage?

첫째와 둘째 요소들은 가이거 모드를 유지하기 위한 오버드라이브 전압(Overdrive voltage: 이하, Vod) 펄스의 크기(Height)와 폭(Duration)에 관련된 것이다. 오버드라이브 전압(Vod)의 크기와 폭은 바로 아발란치 포토다이오드(APD)의 DCR(Dark Count Rate)와 애프터 펄싱(After pulsing)에 의해서 결정된다. DCR은 가이거 모드에서 외부로부터의 광신호의 입력이 없이 자체적으로 발생하는 광전류의 빈도를 의미한다. 애프터 펄싱(After pulsing)은 리셋된 후 다시 가이거 모드로 진입했을 때, 이전 가이거 모드에서 트랩되었던 전자와 정공이 방출되면서 광자의 입력 없이도 광전류가 흐르는 현상을 말한다. The first and second factors are related to the height and duration of the overdrive voltage (VOD) pulse to maintain Geiger mode. The magnitude and width of the overdrive voltage Vod are determined by the DCR and the after pulsing of the avalanche photodiode (APD). DCR refers to the frequency of photocurrent generated by itself in the Geiger mode without input of an external optical signal. After pulsing refers to a phenomenon in which a photocurrent flows without input of photons when electrons and holes trapped in the previous Geiger mode are released after resetting to the Geiger mode.

셋째 요소는 광자의 검출이 이루어진 후, 얼마나 신속히 가이거 모드(Gieger)에서 빠져나오는 가에 대한 문제이다. 가이거 모드에서 항복 전압(V_BR) 미만의 바이어스 상태로 빠져나오는 것을 퀀칭(Quenching)이라 한다. 퀀칭(Quenching)을 통해서 바이어스 전압을 항복 전압 이하로 충분히 유지시켜야 상술한 애프터 펄싱(After Pulsing)을 최소화할 수 있다.The third factor is how quickly you exit the Geiger mode after the photon is detected. The exit from Geiger mode into a bias state below the breakdown voltage (V _BR ) is called quenching. After quenching, the bias voltage must be sufficiently maintained below the breakdown voltage to minimize the above-mentioned after pulsing.

가이거 모드를 위한 오버드라이브 전압(Vod)과 퀀칭 동작을 용이하게 구현하는 것이 아발란치 포토다이오드(APD)의 바이어스에서 중요하다. 본 발명의 실시 예에서는 오버드라이브 전압(Vod)과 퀀칭(Quenching)을 최적의 조건으로 제공할 수 있는 제어 수단이 게시될 것이다. 그리고 본 발명의 실시 예에서는 집적형 광검출기를 용이하게 구성할 수 있는 아발란치 포토다이오드(APD)의 바이어스 수단이 기술될 것이다. Easily implementing the overdrive voltage (Vod) and quenching operation for the Geiger mode is important in the bias of the Avalanche photodiode (APD). In an embodiment of the present invention, a control means capable of providing an overdrive voltage Vod and quenching under optimum conditions will be disclosed. In the embodiment of the present invention, bias means of an avalanche photodiode (APD), which can easily configure an integrated photodetector, will be described.

도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광검출기를 보여주는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 광검출기(100)는 아발란치 포토다이오드(APD), 바이어스 회로(110) 및 검출 회로(120)를 포함한다. 그리고 광검출기(100)는 오버드라이브 전압(Vod)을 미세 조정하기 위한 집적형 커플링 커패시터(Cc)를 포함한다. 2 is a block diagram illustrating a photodetector according to a first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the photodetector 100 includes an avalanche photodiode (APD), a bias circuit 110, and a detection circuit 120. The photodetector 100 includes an integrated coupling capacitor Cc for fine-adjusting the overdrive voltage Vod.

바이어스 회로(110)는 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드(Cathode)에 직류 바이어스 전압(Vb)을 제공한다. 바이어스 회로(110)는 생성된 고전압을 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드(Cathode)에 정전압으로 제공할 수 있다. 검출 회로(120)에 의해서 제공되는 아발란치 포토다이오드(APD)의 어노이드(Anode) 전압(Vd)에 따라, 바이어스 회로(110)는 직류 바이어스 전압(Vb)을 다양한 레벨로 제공할 수 있다. 만일, 어노이드 전압(Vd)이 0V라면, 바이어스 회로(110)는 상대적으로 고전압(예를 들면, 약 40~50V)의 직류 바이어스 전압(Vb)을 생성할 수 있다. The bias circuit 110 provides a DC bias voltage Vb to a cathode of the avalanche photodiode APD. The bias circuit 110 may provide the generated high voltage to the cathode of the avalanche photodiode APD at a constant voltage. According to the anode voltage Vd of the avalanche photodiode APD provided by the detection circuit 120, the bias circuit 110 may provide the DC bias voltage Vb at various levels. . If the anode voltage Vd is 0V, the bias circuit 110 may generate a DC bias voltage Vb having a relatively high voltage (for example, about 40-50V).

도시되지는 않았지만, 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드(Cathode) 전압(V_N1)은 커플링 커패시터(Cc)에 의해서 가변될 수 있다. 이를 위하여, 바이어스 회로(110)는 수동 소자들을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 바이어스 회로(110)는 아발란치 포토다이오드(APD)들의 캐소드 전압(V_N1)이 변동되더라도, 전압 공급 회로(미도시됨)의 출력 전압을 안정화시키기 위한 바이어스 저항(Rb)과 바이어스 커패시터(Cb)를 더 포함할 수 있다. 바이어스 저항(Rb)은 전압 공급 회로의 출력단과 아발란치 포토다이오드(APD)들의 캐소드(N1)에 연결될 수 있다. 그리고 바이어스 커패시터(Cb)는 전압 공급 회로의 출력단과 접지 사이에 접속될 수 있다. 여기서, 전압 공급 회로, 바이어스 커패시터(Cb) 그리고 바이어스 저항(Rb)을 통칭하여 바이어스 회로(Bias Circuit)로 칭할 수 있다. Although not shown, the cathode voltage V _N1 of the avalanche photodiode APD may be varied by the coupling capacitor Cc. To this end, the bias circuit 110 may further include passive elements. For example, the bias circuit 110 may include a bias resistor Rb for stabilizing an output voltage of a voltage supply circuit (not shown) even when the cathode voltage V _N1 of the avalanche photodiodes APD is changed. It may further include a bias capacitor (Cb). The bias resistor Rb may be connected to the output terminal of the voltage supply circuit and the cathode N1 of the avalanche photodiodes APD. The bias capacitor Cb may be connected between the output terminal of the voltage supply circuit and the ground. Here, the voltage supply circuit, the bias capacitor Cb, and the bias resistor Rb may be collectively referred to as a bias circuit.

커플링 커패시터(Cc)의 일단은 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드(Cathode)에 연결된다. 커플링 커패시터(Cc)의 타단으로는 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드(Cathode)에 인가될 오버드라이브 전압(Vod)이 제공된다. 바이어스 회로(110)에 의해서 제공되는 바이어스 전압(Vb)은 아발란치 포토다이오드(APD)의 항복 전압(V_BR)보다 낮다. 하지만, 상대적으로 저전압인 오버드라이브 전압(Vod)이 펄스로 제공되면, 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드(Cathode) 전압(V_N1)은 커플링 효과에 의해서 상승한다. 용량성 커플링 효과(Capacitive Coupling Effect)에 의해서 상승된 캐소드(Cathode) 전압(V_N1)은 아발란치 포토다이오드(APD)의 항복 전압(V_BR)을 상회하게 된다. 그러면, 이 순간 아발란치 포토다이오드(APD)는 가이거 모드로 진입하게 될 것이다. One end of the coupling capacitor Cc is connected to the cathode of the avalanche photodiode APD. The other end of the coupling capacitor Cc is provided with an overdrive voltage Vod to be applied to the cathode of the avalanche photodiode APD. The bias voltage Vb provided by the bias circuit 110 is lower than the breakdown voltage V _BR of the avalanche photodiode APD. However, when a relatively low overdrive voltage Vod is provided as a pulse, the cathode voltage V _N1 of the avalanche photodiode APD rises due to the coupling effect. The cathode voltage V _N1 raised by the capacitive coupling effect exceeds the breakdown voltage V _BR of the avalanche photodiode APD. At this moment, the Avalanche photodiode (APD) will enter Geiger mode.

여기서, 아발란치 포토다이오드(APD)는 다양한 변수들에 의해서 동일한 공정으로 형성된다 하더라도 최적의 가이거 모드 조건이 일치하지는 않는다. 따라서, 최적의 가이거 모드 구동을 위한 오버드라이브 전압(Vod)의 크기나 폭은 서로 다를 수 있다. 하지만, 이러한 특성의 변화를 고려하여 오버드라이브 전압(Vod)을 제공하면 최적의 가이거 모드 구동이 가능할 것이다. Here, although the avalanche photodiode (APD) is formed in the same process by various variables, the optimum Geiger mode conditions do not match. Therefore, the magnitude or width of the overdrive voltage Vod for optimal Geiger mode driving may be different. However, if the overdrive voltage Vod is provided in consideration of such a change in characteristics, an optimal Geiger mode driving may be possible.

검출 회로(120)는 아발란치 포토다이오드(APD)가 가이거 모드로 구동되는 시점에 발생하는 광전류를 검출한다. 광전류의 검출 여부에 따라서, 검출 회로(120)는 광자의 존재 여부를 검출하게 될 것이다. 검출 회로(120)에는 광자에 의한 광전류 외의 노이즈를 제거하기 위한 필터 요소들이 더 추가될 수 있다. 상술한 동작을 위하여 검출 회로(120)는 아발란치 포토다이오드(APD)의 어노이드(Anode) 전압(Vd)을 제공할 수 있다. The detection circuit 120 detects a photocurrent generated when the avalanche photodiode APD is driven in the Geiger mode. Depending on whether the photocurrent is detected, the detection circuit 120 may detect the presence of photons. The detection circuit 120 may further include filter elements for removing noise other than photocurrent by photons. For the above operation, the detection circuit 120 may provide an anode voltage Vd of the avalanche photodiode APD.

검출 회로(120)에 의해서 제공되는 어노이드 전압(Vd)과 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드(Cathode) 전압(V_N1) 따라서 아발란치 포토 다이오드(APD)는 가이거 모드 또는 퀀칭 모드로 구동될 수 있다. 바이어스 회로(110)에서 제공되는 직류 바이어스 전압(Vb)에 따라 검출 회로(120)는 아발란치 포토다이오드(APD)의 어노이드(Anode) 전압(Vd)을 공급할 수 있다. 예를 들면, 직류 바이어스 전압(Vb)이 고전압(예를 들면, 약 40~50V)이라면, 검출 회로(120)는 0V의 어노이드 전압(Vd)을 제공할 수 있을 것이다. 반면, 직류 바이어스 전압(Vb)이 상대적인 저전압이라면, 검출 회로(120)는 가이거 모드 또는 퀀칭 모드를 유지하기 위하여 부전압(Negative voltage)의 어노이드 전압(Vd)을 제공할 수도 있다. The anode voltage (Vd) provided by the detection circuit 120 and the cathode voltage (V _N1 ) of the avalanche photodiode (APD), thus, the avalanche photodiode (APD) is in the Geiger mode or the quenching mode. Can be driven. According to the DC bias voltage Vb provided by the bias circuit 110, the detection circuit 120 may supply an anode voltage Vd of the avalanche photodiode APD. For example, if the DC bias voltage Vb is a high voltage (eg, about 40-50V), the detection circuit 120 may provide an anode voltage Vd of 0V. On the other hand, if the DC bias voltage Vb is a relatively low voltage, the detection circuit 120 may provide an anode voltage Vd of a negative voltage to maintain the Geiger mode or the quenching mode.

아발란치 포토 다이오드(APD)는 가이거 모드 또는 퀀칭 모드로의 구동 조건은 검출 회로(120)에 의해서도 제어될 수 있다. 또한, 검출 회로(120)는 오버드라이브 전압(Vod)을 제공할 수도 있다. 검출 회로(120)의 제어에 따라 아발란치 포토 다이오드(APD)는 가이거 모드 또는 퀀칭 모드로 바이어스될 수 있다. 그리고, 검출 회로(120)는 감지된 광전류를 검출할 수 있다. In the avalanche photodiode (APD), a driving condition of the Geiger mode or the quenching mode may be controlled by the detection circuit 120. In addition, the detection circuit 120 may provide an overdrive voltage Vod. According to the control of the detection circuit 120, the avalanche photodiode (APD) may be biased in a Geiger mode or a quenching mode. In addition, the detection circuit 120 may detect the detected photocurrent.

이상의 도 2에서 설명된 광검출기(100)는 커플링 효과를 이용하여 아발란치 포토다이오드(APD)를 가이거 모드로 구동할 수 있다. 즉, 저전압의 오버드라이브 전압(Vod)만으로 가이거 모드로 진입할 수 있는 광검출기(100)를 구성할 수 있다. The photodetector 100 described with reference to FIG. 2 may drive the avalanche photodiode (APD) in the Geiger mode using a coupling effect. That is, the photodetector 100 may enter the Geiger mode using only the low overdrive voltage Vod.

하지만, 본 발명의 광검출기(100)의 가이거 모드 또는 퀀칭 모드로의 전환은 오버드라이브 전압(Vod)뿐 아니라 직류 바이어스 전압(Vb)과 어노이드 전압(Vd)에 의해서도 제어될 수 있다. 즉, 바이어스 회로(110)와 검출 회로(120)에 의해서 가이거 모드 또는 퀀칭 모드로 구동될 수 있고, 오버드라이브 전압(Vod)은 광검출기(100)의 특성을 가변시키기 위한 조정 신호로 사용될 수도 있다.However, the switching of the photodetector 100 to the Geiger mode or the quenching mode of the present invention may be controlled not only by the overdrive voltage Vod but also by the DC bias voltage Vb and the anode voltage Vd. That is, the bias circuit 110 and the detection circuit 120 may be driven in the Geiger mode or the quenching mode, and the overdrive voltage Vod may be used as an adjustment signal for varying the characteristics of the photodetector 100. .

더불어, 상술한 도 2의 광검출기(100)는 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드에 오버드라이브 전압(Vod)이 제공되는 방식으로 구성되었다. 하지만, 본 발명은 이에 국한되지 않는다. 즉, 아발란치 포토다이오드(APD)의 어노이드(Anode)에 오버드라이브 전압(Vod)이 제공되는 방식으로 광검출기가 구성될 수 있을 것이다. 다만, 이때는 오버드라이브 전압(Vod) 펄스의 로(Low) 구간(또는, 하강 에지)에서 아발란치 포토다이오드(APD)가 가이거 모드로 구동될 것이다. In addition, the photodetector 100 of FIG. 2 is configured in such a manner that an overdrive voltage Vod is provided to the cathode of the avalanche photodiode APD. However, the present invention is not limited thereto. That is, the photodetector may be configured in such a manner that the overdrive voltage Vod is provided to the anode of the avalanche photodiode APD. However, in this case, the avalanche photodiode APD will be driven in Geiger mode in a low section (or falling edge) of the overdrive voltage Vod pulse.

도 3은 도 2의 광검출기 동작을 설명하기 위한 파형도이다. 도 3을 참조하면, 오버드라이브 전압(Vod)과 그에 따른 아발란치 포토다이오드(APD)의 양단 전압(V_N1-Vd)의 변화를 도시하고 있다. FIG. 3 is a waveform diagram illustrating the photodetector operation of FIG. 2. Referring to FIG. 3, there is shown a change in the overdrive voltage Vod and the voltages V _N1 -Vd at both ends of the avalanche photodiode APD.

앞서 설명된 바이어스 조건에 따르면, 가이거 모드 구동을 위해서 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드(Cathode)에는 바이어스 회로(110)로부터 바이어스 전압(Vb)이 제공된다. 그리고 아발란치 포토다이오드(APD)의 어노이드(Anode)에는 검출 회로(120)로부터 전압(Vd)이 제공된다. 그러면, 아발란치 포토다이오드(APD)의 양단은 양단 전압(V_N1-Vd)으로 바이어스된다. According to the bias condition described above, the bias voltage Vb is provided from the bias circuit 110 to the cathode of the avalanche photodiode APD for the Geiger mode driving. The voltage Vd is provided from the detection circuit 120 to an anode of the avalanche photodiode APD. Then, both ends of the avalanche photodiode APD are biased with the voltage V _N1 -Vd at both ends.

양단 전압(V_N1-Vd) 항복 전압(V_BR)보다 낮다. 이 상태에서 아발란치 포토다이오드(APD)는 가이거 모드로 구동되지 않는다. 그러나 커플링 커패시터(Cc)의 일단으로 오버드라이브 전압(Vod) 펄스가 제공되면, 커플링 효과에 의해서 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드 전압은 상승한다. 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드, 즉, 노드 (N1)의 전압은 아래 수학식 1로 나타낼 수 있다. Both ends of the voltage (V _N1 -Vd) are lower than the breakdown voltage (V _BR ). In this state, the avalanche photodiode (APD) is not driven in Geiger mode. However, when the overdrive voltage Vod pulse is provided to one end of the coupling capacitor Cc, the cathode voltage of the avalanche photodiode APD increases due to the coupling effect. The cathode of the avalanche photodiode APD, that is, the voltage of the node N1 may be represented by Equation 1 below.

(단, α는 커플링 커패시터 Cc의 커플링 계수)(Where α is the coupling coefficient of the coupling capacitor Cc)

여기서, 설명의 편의를 위해 아발란치 포토다이오드(APD)의 항복 전압(V_BR)이 43V, 커플링 커패시터(Cc)의 커플링 계수가 1, 바이어스 전압(Vb)이 40V인 경우를 가정하기로 한다. 가이거 모드로 아발란치 포토다이오드(APD)를 구동하기 위해서는 노드 (N1)의 전압(V_N1)은 43V를 초과해야 한다. 따라서, 오버드라이브 전압(Vod)을 4V 크기의 펄스로 제공하면, 노드 (N1)의 전압(V_N1)은 커플링에 의해서 적어도 44V 이상으로 부스팅(Boosting)될 수 있다. For convenience of explanation, it is assumed that the breakdown voltage V _BR of the avalanche photodiode APD is 43V, the coupling coefficient of the coupling capacitor Cc is 1, and the bias voltage Vb is 40V. Shall be. In order to drive the avalanche photodiode APD in the Geiger mode, the voltage V _N1 of the node N1 must exceed 43V. Thus, by providing the overdrive voltage (Vod) of a signal pulse 4V, the voltage (V _N1) of the node (N1) may be boosted (Boosting) at least a 44V or higher by the coupling.

다시 타이밍도를 참조하면, 펄스 폭이 τ1인 4V 크기의 오버드라이브 전압(Vod) 펄스가 제공되면, 아발란치 포토다이오드(APD)의 양단 전압(V_N1-Vd)은 항복 전압(V_BR)보다 높은 전압(V1)으로 부스팅된다. 그리고 부스팅된 아발란치 포토다이오드(APD)의 양단 전압(V_N1-Vd)은 펄스 구간(τ1′)만큼 유지된다. 펄스 구간(τ1′)은 저전압으로 제공되는 오버드라이브 전압(Vod)의 펄스 구간(τ1)에 비례한다.Referring back to the timing diagram, when a 4V overdrive voltage (Vod) pulse having a pulse width of τ1 is provided, the voltages V _N1 -Vd at both ends of the avalanche photodiode APD are the breakdown voltage V _BR . Boost to a higher voltage V1. The voltages V _{N1 to} Vd of the boosted avalanche photodiode APD are maintained by the pulse period τ 1 ′. The pulse period tau 1 'is proportional to the pulse period tau 1 of the overdrive voltage Vod provided at a low voltage.

그리고 가이거 모드로부터 퀀칭 모드(Quenching mode)로 전환되기 위해서는 오버드라이브 전압(Vod)을 0V로 제공하면 된다. 그러면, 커플링 효과에 의해 아발란치 포토다이오드(APD)의 양단 전압(V_N1-Vd)은 바이어스 전압(Vb) 레벨로 하강하며, 퀀칭 모드(Quenching mode)로 유지된다. 아발란치 포토다이오드(APD)의 양단 전압(V_N1-Vd)이 퀀칭 모드(Quenching mode)로 유지되는 펄스 구간(τ2′)의 길이도 오버드라이브 전압(Vod)이 0V로 제공되는 펄스 구간(τ2)에 의존한다.In order to switch from the Geiger mode to the quenching mode, the overdrive voltage Vod may be provided as 0V. Then, due to the coupling effect, the voltages V _{N1 to} Vd of the avalanche photodiode APD fall to the bias voltage Vb level and are maintained in the quenching mode. The length of the pulse section τ2 ′ in which the voltages V _N1 -Vd of the avalanche photodiode APD are maintained in the quenching mode is also the length of the pulse section in which the overdrive voltage Vod is provided at 0V. τ2).

그리고 아발란치 포토다이오드(APD)의 양단 전압(V_N1-Vd)은 오버드라이브 전압(Vod)의 레벨에 따라 다양한 크기로 제어될 수 있다. 도시된 바와 같이, 5V 크기의 펄스로 오버드라이브 전압(Vod)이 제공되면, 아발란치 포토다이오드(APD)의 양단 전압(V_N1-Vd)은 이전의 가이거 모드 구동 전압(V1)보다 높은 크기(V2)로 부스팅된다. 이것은, 가이거 모드 구동 전압을 저전압의 오버드라이브 전압(Vod)으로 쉽게 제어할 수 있음을 의미한다. In addition, the voltages V _{N1 to} Vd of the avalanche photodiode APD may be controlled to various sizes according to the level of the overdrive voltage Vod. As shown, if the overdrive voltage Vod is provided with a 5V pulse, the voltage across the Avalanche photodiode APD (V _N1 -Vd) is higher than the previous Geiger mode driving voltage V1. Boost to (V2). This means that the Geiger mode driving voltage can be easily controlled by a low voltage overdrive voltage Vod.

실제로 아발란치 포토다이오드(APD)를 최적의 가이거 모드로 구동하기 위한 동작 전압은 가변적일 수 있다. 즉, 아발란치 포토다이오드(APD)의 특성 변화에 따라 최적의 가이거 모드 구동 전압은 일정치 않을 수 있다. 아발란치 포토다이오드(APD)를 포함하는 광검출기들을 2차원 어레이로 구성하는 경우, 각각의 셀들은 서로 다른 가이거 모드 구동 전압으로 제어할 필요가 생길 수 있다.In practice, the operating voltage for driving the avalanche photodiode (APD) in an optimal Geiger mode may be variable. That is, the optimum Geiger mode driving voltage may not be constant according to the characteristic change of the avalanche photodiode (APD). When the photodetectors including an avalanche photodiode (APD) are configured in a two-dimensional array, each cell may need to be controlled by different Geiger mode driving voltages.

이때, 본 발명의 실시 예에 따르면, 오버드라이브 전압(Vod)만을 높이거나 낮추어 아발란치 포토다이오드(APD)를 바이어스 할 수 있다. 이 경우, 모든 광검출기 셀들이 최적의 가이거 모드로 구동되어, 광검출 효율을 현저히 높일 수 있다.In this case, according to an exemplary embodiment of the present invention, the avalanche photodiode APD may be biased by increasing or decreasing only the overdrive voltage Vod. In this case, all photodetector cells are driven in the optimal Geiger mode, which can significantly increase the photodetection efficiency.

도 4는 도 2에 도시된 제 1 실시 예에 따른 광검출기의 변형된 예를 보여주는 블록도이다. 도 4를 참조하면, 광검출기(200)는 아발란치 포토다이오드(APD), 바이어스 회로(210) 및 검출 회로(220)를 포함한다. 그리고 오버드라이브 전압(Vod)을 인가하기 위한 집적형 커플링 커패시터(Cc)가 포함된다. 4 is a block diagram illustrating a modified example of the photodetector according to the first embodiment shown in FIG. 2. Referring to FIG. 4, the photodetector 200 includes an avalanche photodiode (APD), a bias circuit 210, and a detection circuit 220. And an integrated coupling capacitor Cc for applying the overdrive voltage Vod.

바이어스 회로(210)는 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드(Cathode)에 항복 전압(V_BR)보다 낮은 직류 바이어스 전압(Vb)을 제공한다. 바이어스 회로(210)는 상대적으로 고전압(예를 들면, 약 40~50V)을 생성할 수 있다. 바이어스 회로(210)는 생성된 고전압을 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드(Cathode)에 정전압으로 제공할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 바이어스 회로(210)는 생성된 고전압을 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드(Cathode)에 안정적으로 공급하기 위한 저항과 커패시터 등의 수동 소자를 더 포함할 수 있다.The bias circuit 210 provides a DC bias voltage Vb lower than the breakdown voltage V _BR to the cathode of the avalanche photodiode APD. The bias circuit 210 may generate a relatively high voltage (eg, about 40-50V). The bias circuit 210 may provide the generated high voltage to the cathode of the avalanche photodiode APD at a constant voltage. Although not shown, the bias circuit 210 may further include passive elements such as resistors and capacitors for stably supplying the generated high voltage to the cathode of the avalanche photodiode (APD).

커플링 커패시터(Cc)의 일단은, 도 2의 구성과는 달리, 아발란치 포토다이오드(APD)의 어노이드(Anode)에 연결된다. 커플링 커패시터(Cc)의 타단으로는 아발란치 포토다이오드(APD)의 어노이드(Anode)에 인가될 오버드라이브 전압(Vod)이 제공된다. 바이어스 회로(210)에 의해서 제공되는 바이어스 전압(Vb)은 아발란치 포토다이오드(APD)의 항복 전압(V_BR)보다 낮다. 하지만, 상대적으로 저전압인 오버드라이브 전압(Vod)이 네거티브 펄스(Negative Pulse)로 제공되면, 아발란치 포토다이오드(APD)의 어노이드(Anode) 전압(V_N2)은 커플링 효과에 의해서 하강한다. 용량성 커플링 효과(Capacitive Coupling Effect)에 의해서 어노이드(Anode) 전압(V_N2)이 하강하면, 아발란치 포토다이오드(APD)의 양단에 걸리는 역바이어스 전압(ΔVRB)은 항복 전압(V_BR)을 상회하게 된다. 그러면, 이 순간 아발란치 포토다이오드(APD)는 가이거 모드로 진입하게 될 것이다. One end of the coupling capacitor Cc is connected to an anode of the avalanche photodiode APD, unlike the configuration of FIG. 2. The other end of the coupling capacitor Cc is provided with an overdrive voltage Vod to be applied to the anode of the avalanche photodiode APD. The bias voltage Vb provided by the bias circuit 210 is lower than the breakdown voltage V _BR of the avalanche photodiode APD. However, when the relatively low overdrive voltage Vod is provided as a negative pulse, the anode voltage V _N2 of the avalanche photodiode APD drops due to the coupling effect. . When the anode voltage (V _N2 ) decreases due to the capacitive coupling effect, the reverse bias voltage (ΔVRB) across the avalanche photodiode (APD) becomes the breakdown voltage (V _BR). ) Will exceed. At this moment, the Avalanche photodiode (APD) will enter Geiger mode.

검출 회로(220)는 아발란치 포토다이오드(APD)가 가이거 모드로 구동되는 시점에 발생하는 광전류를 검출한다. 광전류의 검출 여부에 따라서, 검출 회로(220)는 광자의 존재 여부를 검출하게 될 것이다. 검출 회로(220)에는 광자에 의한 광전류 외의 노이즈를 제거하기 위한 필터 요소들이 더 추가될 수 있다.The detection circuit 220 detects a photocurrent generated when the avalanche photodiode APD is driven in the Geiger mode. Depending on whether the photocurrent is detected, the detection circuit 220 will detect the presence of photons. The detection circuit 220 may further add filter elements for removing noise other than photocurrent by photons.

도 5는 도 4의 광검출기 동작을 설명하기 위한 파형도이다. 도 5를 참조하면, 오버드라이브 전압(Vod)과 그에 따른 아발란치 포토다이오드(APD)의 양단에 걸리는 역바이어스 전압(ΔVRB)의 변화가 도시되어 있다. FIG. 5 is a waveform diagram illustrating the photodetector operation of FIG. 4. Referring to FIG. 5, there is shown a change in the reverse drive voltage ΔVRB across the overdrive voltage Vod and thus the avalanche photodiode APD.

앞서 설명된 바이어스 조건에 따르면, 가이거 모드 구동을 위해서 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드(Cathode)에는 바이어스 회로(210)로부터 바이어스 전압(Vb)이 제공된다. 바이어스 전압(Vb)은 항복 전압(V_BR)보다 낮다. 이 상태에서 아발란치 포토다이오드(APD)는 가이거 모드로 구동되지 않는다. 그러나 커플링 커패시터(Cc)의 일단으로 오버드라이브 전압(Vod) 펄스가 제공되면, 커플링 효과에 의해서 아발란치 포토다이오드(APD)의 어노이드(Anode), 즉, 노드 (N2)의 전압은 변한다. According to the above-described bias condition, the bias voltage Vb is provided from the bias circuit 210 to the cathode of the avalanche photodiode APD for the Geiger mode driving. The bias voltage Vb is lower than the breakdown voltage V _BR . In this state, the avalanche photodiode (APD) is not driven in Geiger mode. However, when the overdrive voltage Vod pulse is provided to one end of the coupling capacitor Cc, the anode of the avalanche photodiode (APD), that is, the voltage of the node N2 is reduced by the coupling effect. Change.

여기서, 설명의 편의를 위해 아발란치 포토다이오드(APD)의 항복 전압(V_BR)이 43V, 커플링 커패시터(Cc)의 커플링 계수가 1, 바이어스 전압(Vb)이 40V인 경우를 가정하기로 한다. 가이거 모드로 아발란치 포토다이오드(APD)를 구동하기 위해서는 역바이어스 전압(ΔVRB)이 43V를 초과해야 한다. 따라서, 오버드라이브 전압(Vod)을 음의 펄스(Negative Pulse)인 -4V 크기의 펄스로 제공하면, 역바이어스 전압(ΔVRB)은 커플링에 의해서 적어도 44V 이상으로 확립될 수 있다. For convenience of explanation, it is assumed that the breakdown voltage V _BR of the avalanche photodiode APD is 43V, the coupling coefficient of the coupling capacitor Cc is 1, and the bias voltage Vb is 40V. Shall be. To drive the Avalanche photodiode (APD) in Geiger mode, the reverse bias voltage (ΔVRB) must exceed 43V. Therefore, if the overdrive voltage Vod is provided as a pulse of magnitude -4V, which is a negative pulse, the reverse bias voltage ΔVRB can be established at least 44V or more by coupling.

다시 타이밍도를 참조하면, 펄스 폭이 τ1인 -4V 크기의 오버드라이브 전압(Vod) 펄스가 제공되면, 아발란치 포토다이오드(APD)의 역바이어스 전압(ΔVRB)은 항복 전압(V_BR)보다 높은 전압(V1)으로 부스팅된다. 만일 커플링 계수가 1이라면, 아발란치 포토다이오드(APD)의 역바이어스 전압(ΔVRB)은 약 44V로 부스팅 될 것이다. 그리고, 아발란치 포토다이오드(APD)의 역바이어스 전압(ΔVRB)은 펄스 구간(τ1′)만큼 유지된다. 펄스 구간(τ1′)은 저전압으로 제공되는 오버드라이브 전압(Vod)의 펄스 구간(τ1)에 비례한다. Referring back to the timing diagram, if an overdrive voltage (Vod) pulse having a pulse width of τ1 is provided, the reverse bias voltage (ΔVRB) of the avalanche photodiode (APD) is greater than the breakdown voltage (V _BR ). Boosted to high voltage V1. If the coupling coefficient is 1, the reverse bias voltage ΔVRB of the avalanche photodiode APD will be boosted to about 44V. The reverse bias voltage ΔVRB of the avalanche photodiode APD is maintained by the pulse period tau 1 '. The pulse period tau 1 'is proportional to the pulse period tau 1 of the overdrive voltage Vod provided at a low voltage.

그리고 가이거 모드로부터 퀀칭 모드(Quenching mode)로 전환되기 위해서는 오버드라이브 전압(Vod)을 0V로 제공하면 된다. 그러면, 커플링 효과에 의해 아발란치 포토다이오드(APD)의 역바이어스 전압(ΔVRB)은 바이어스 전압(Vb) 크기로 회복되며, 퀀칭 모드(Quenching mode)로 유지된다. 아발란치 포토다이오드(APD)의 역바이어스 전압(ΔVRB)이 퀀칭 모드(Quenching mode)로 유지되는 펄스 구간(τ2′)의 길이도 오버드라이브 전압(Vod)이 0V로 제공되는 펄스 구간(τ2)에 의존한다.In order to switch from the Geiger mode to the quenching mode, the overdrive voltage Vod may be provided as 0V. Then, due to the coupling effect, the reverse bias voltage ΔVRB of the avalanche photodiode APD is restored to the bias voltage Vb, and is maintained in the quenching mode. The length of the pulse section τ2 ′ where the reverse bias voltage ΔVRB of the avalanche photodiode APD is maintained in the quenching mode is also the pulse section τ2 where the overdrive voltage Vod is provided at 0V. Depends on

그리고 아발란치 포토다이오드(APD)의 역바이어스 전압(ΔVRB)은 오버드라이브 전압(Vod)의 레벨에 따라 다양한 크기로 제어될 수 있다. 도시된 바와 같이, -5V 크기의 펄스로 오버드라이브 전압(Vod)이 제공되면, 아발란치 포토다이오드(APD)의 역바이어스 전압(ΔVRB)은 이전의 가이거 모드 구동 전압(V1)보다 높은 크기(V2)로 부스팅된다. 이것은, 가이거 모드 구동 전압을 저전압의 오버드라이브 전압(Vod)으로 쉽게 제어할 수 있음을 의미한다. The reverse bias voltage ΔVRB of the avalanche photodiode APD may be controlled in various sizes according to the level of the overdrive voltage Vod. As shown, when the overdrive voltage Vod is provided with a pulse of -5V magnitude, the reverse bias voltage ΔVRB of the avalanche photodiode APD is higher than the previous Geiger mode driving voltage V1. Is boosted to V2). This means that the Geiger mode driving voltage can be easily controlled by a low voltage overdrive voltage Vod.

실제로 아발란치 포토다이오드(APD)를 최적의 가이거 모드로 구동하기 위한 동작 전압은 가변적일 수 있다. 즉, 아발란치 포토다이오드(APD)의 특성 변화에 따라 최적의 가이거 모드 구동 전압은 일정치 않을 수 있다. 아발란치 포토다이오드(APD)를 포함하는 광검출기들을 2차원 어레이로 구성하는 경우, 각각의 셀들은 서로 다른 가이거 모드 구동 전압으로 제어할 필요가 생길 수 있다. In practice, the operating voltage for driving the avalanche photodiode (APD) in an optimal Geiger mode may be variable. That is, the optimum Geiger mode driving voltage may not be constant according to the characteristic change of the avalanche photodiode (APD). When the photodetectors including an avalanche photodiode (APD) are configured in a two-dimensional array, each cell may need to be controlled by different Geiger mode driving voltages.

이상의 도 2 내지 도 5에서는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광검출기의 다양한 형태와 동작을 설명하였다. 아발란치 포토다이오드(APD)에 연결되는 커플링 커패시터(Cc)의 위치에 따라 인가되는 오버드라이브 전압(Vod)의 펄스가 달라졌다. 하지만, 아발란치 포토다이오드(APD)의 양단에 2개의 커플링 커패시터를 연결하여 차동 전압(Differential Voltage)으로 오버드라이버 전압(Vod)를 제공하는 방식으로 본 발명을 변경할 수 있을 것이다. 즉, 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드에 제 1 커플링 커패시터(Cc1)를 연결하고, 어노이드에 제 2 커플링 커패시터(Cc2)를 연결할 수 있다. 그리고 제 1 커플링 커패시터(Cc1)와 제 2 커플링 커패시터(Cc2)에 차동 전압을 인가하면 아발란치 포토다이오드(APD)는 가이거 모드 또는 퀀칭 모드로 구동될 수 있다. 2 to 5 have described various forms and operations of the photodetector according to the first embodiment of the present invention. The pulse of the overdrive voltage Vod applied according to the position of the coupling capacitor Cc connected to the avalanche photodiode APD varies. However, the present invention may be modified in such a manner that two coupling capacitors are connected to both ends of the avalanche photodiode (APD) to provide an overdriver voltage (Vod) with a differential voltage. That is, the first coupling capacitor Cc1 may be connected to the cathode of the avalanche photodiode APD, and the second coupling capacitor Cc2 may be connected to the anode. When the differential voltage is applied to the first coupling capacitor Cc1 and the second coupling capacitor Cc2, the avalanche photodiode APD may be driven in a Geiger mode or a quenching mode.

도 6a는 상술한 도 2의 광검출기를 어레이로 구성한 다른 실시 예를 보여주는 블록도이다. 도 6a를 참조하면, 광검출기(300)는 아발란치 포토다이오드(APD), 바이어스 저항(Rb), 커플링 커패시터(Cc)로 구성되는 광검출 셀들(330, 340, 350)을 포함한다. 광검출기(300)는 전압 공급 회로(310)와 바이어스 커패시터(Cb)를 포함한다. 그리고 광검출기(300)는 각각의 광검출 셀들(330, 340, 350)이 생성하는 광전류를 검출하는 검출 회로(320)를 포함한다. FIG. 6A is a block diagram illustrating another exemplary embodiment in which the photodetectors of FIG. 2 are configured in an array. Referring to FIG. 6A, the photodetector 300 includes photodetection cells 330, 340, and 350 configured of an avalanche photodiode APD, a bias resistor Rb, and a coupling capacitor Cc. The photodetector 300 includes a voltage supply circuit 310 and a bias capacitor Cb. The photodetector 300 includes a detection circuit 320 for detecting the photocurrent generated by each of the photodetection cells 330, 340, and 350.

여기서, 전압 공급 회로(310)는 각각의 광검출 셀들(330, 340, 350)로 제공하기 위한 고전압을 생성한다. 생성된 고전압은 바이어스 저항(Rb)을 통해서 아발란치 포토다이오드(APD)들로 제공된다. 그리고, 바이어스 커패시터(Cb)는 전압 공급 회로(310)가 공급하는 전압을 안정적으로 아발란치 포토다이오드(APD)들에게 제공하기 위한 안정화 커패시터이다. 즉, 오버드라이브 전압(Vod)의 변동에 따라 아발란치 포토다이오드(APD)들의 캐소드 전압(V_N1)이 변동할 수 있다. 아발란치 포토다이오드(APD)들의 캐소드 전압(V_N1)이 변동되더라도, 전압 공급 회로(310)의 출력 전압(V_N0)은 바이어스 커패시터(Cb)에 의해서 안정화된다. 여기서, 전압 공급 회로(210), 바이어스 커패시터(Cb) 그리고 바이어스 저항(Rb)은 바이어스 회로(Bias Circuit)로 구성될 수 있다. Here, the voltage supply circuit 310 generates a high voltage for providing to the respective photodetection cells 330, 340, 350. The generated high voltage is provided to the avalanche photodiodes APD through the bias resistor Rb. In addition, the bias capacitor Cb is a stabilizing capacitor for stably providing voltages supplied by the voltage supply circuit 310 to the avalanche photodiodes APD. That is, the cathode voltage V _N1 of the avalanche photodiodes APD may fluctuate according to the fluctuation of the overdrive voltage Vod. Even when the cathode voltage V _N1 of the avalanche photodiodes APD fluctuates, the output voltage V _N0 of the voltage supply circuit 310 is stabilized by the bias capacitor Cb. Here, the voltage supply circuit 210, the bias capacitor Cb and the bias resistor Rb may be configured as a bias circuit.

검출 회로(320)는 각각의 광검출 셀들(330, 340, 350)이 감지하는 광전류를 검출한다. 각각의 광검출 셀들(330, 340, 350)은 가이거 모드로 구동될 수 있을 것이다. 검출 회로(320)는 가이거 모드에서 각각의 광검출 셀들(330, 340, 350)이 검출하는 광전류를 이용하여 광자의 유무를 판단하게 될 것이다. 또한, 검출 회로(320)는 오버드라이브 전압들(Vod1, Vod2, Vod3)을 제공할 수도 있다. The detection circuit 320 detects the photocurrent sensed by each of the photodetection cells 330, 340, and 350. Each of the photodetection cells 330, 340, 350 may be driven in Geiger mode. The detection circuit 320 may determine the presence or absence of photons using the photocurrent detected by each of the photodetection cells 330, 340, and 350 in the Geiger mode. In addition, the detection circuit 320 may provide overdrive voltages Vod1, Vod2, and Vod3.

광검출 셀들(330, 340, 350) 각각은 아발란치 포토다이오드(APD), 바이어스 저항(Rb), 커플링 커패시터(Cc)를 포함한다. 광검출 셀들(330, 340, 350) 각각의 커플링 커패시터(Cc)에는 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드 전압(V_N1)을 부스팅 시키기 위한 오버드라이브 전압들(Vod1, Vod2, Vod3)이 제공될 수 있다. 이러한 구성을 통하여, 광검출 셀들(330, 340, 350) 각각의 아발란치 포토다이오드(APD)의 특성이 다르더라도 최적의 가이거 모드 구동 전압이 제공될 수 있다. Each of the photodetection cells 330, 340, 350 includes an avalanche photodiode APD, a bias resistor Rb, and a coupling capacitor Cc. The coupling capacitor Cc of each of the photodetection cells 330, 340, and 350 has overdrive voltages Vod1, Vod2, and Vod3 for boosting the cathode voltage V _N1 of the avalanche photodiode APD. Can be provided. Through this configuration, even if the characteristics of the avalanche photodiode (APD) of each of the photodetection cells 330, 340, and 350 are different, an optimal Geiger mode driving voltage may be provided.

도 6b는 상술한 도 4의 광검출기를 어레이로 구성한 실시 예를 보여주는 블록도이다. 도 6b를 참조하면, 광검출기(300′)는 아발란치 포토다이오드(APD), 커플링 커패시터(Cc)로 구성되는 광검출 셀들(330′, 340′, 350′)을 포함한다. 광검출기(300′)는 전압 공급 회로(310′)와 각각의 광검출 셀들(330′, 340′, 350′)이 생성하는 광전류를 검출하는 검출 회로(320′)를 포함한다. FIG. 6B is a block diagram illustrating an exemplary embodiment in which the photodetectors of FIG. 4 are configured in an array. Referring to FIG. 6B, the photodetector 300 ′ includes photodetection cells 330 ′, 340 ′, and 350 ′ composed of an avalanche photodiode APD and a coupling capacitor Cc. The photodetector 300 'includes a voltage supply circuit 310' and a detection circuit 320 'for detecting photocurrent generated by each of the photodetection cells 330', 340 ', and 350'.

여기서, 전압 공급 회로(310′)는 각각의 광검출 셀들(330′, 340′, 350′)로 제공하기 위한 고전압을 생성한다. 오버드라이브 전압(Vod)의 변동에 따라 아발란치 포토다이오드(APD)들의 어노이드 전압(V_N2)이 변동할 수 있다. Here, the voltage supply circuit 310 'generates a high voltage for providing to the respective photodetection cells 330', 340 ', 350'. The anodic voltages V _N2 of the avalanche photodiodes APD may fluctuate according to the variation of the overdrive voltage Vod.

검출 회로(320′)는 각각의 광검출 셀들(330′, 340′, 350′)이 감지하는 광전류를 검출한다. 각각의 광검출 셀들(330′, 340′, 350′)은 가이거 모드로 구동될 수 있을 것이다. 검출 회로(320′)는 가이거 모드에서 각각의 광검출 셀들(330′, 340′, 350′)이 검출하는 광전류를 이용하여 광자의 유무를 판단하게 될 것이다. 또한, 검출 회로(320′)는 오버드라이브 전압들(Vod1, Vod2, Vod3)을 제공할 수도 있다. The detection circuit 320 'detects a photocurrent sensed by each of the photodetection cells 330', 340 ', and 350'. Each of the photodetection cells 330 ', 340', 350 'may be driven in Geiger mode. The detection circuit 320 'may determine the presence or absence of photons using the photocurrent detected by each of the photodetection cells 330', 340 ', and 350' in the Geiger mode. In addition, the detection circuit 320 ′ may provide overdrive voltages Vod1, Vod2, and Vod3.

광검출 셀들(330′, 340′, 350′) 각각은 아발란치 포토다이오드(APD), 커플링 커패시터(Cc)를 포함한다. 광검출 셀들(330′, 340′, 350′) 각각의 커플링 커패시터(Cc)에는 아발란치 포토다이오드(APD)의 어노이드 전압(V_N2)을 부스팅 시키기 위한 오버드라이브 전압들(Vod1, Vod2, Vod3)이 제공될 수 있다. 이러한 구성을 통하여, 광검출 셀들(330′, 340′, 350′) 각각의 아발란치 포토다이오드(APD)의 특성이 다르더라도 최적의 가이거 모드 구동 전압이 제공될 수 있다. Each of the photodetection cells 330 ′, 340 ′, and 350 ′ includes an avalanche photodiode APD and a coupling capacitor Cc. In the coupling capacitor Cc of each of the photodetection cells 330 ′, 340 ′, and 350 ′, the overdrive voltages Vod1 and Vod2 are used to boost the anode voltage V _N2 of the avalanche photodiode APD. Vod3) may be provided. Through this configuration, even if the characteristics of the avalanche photodiode (APD) of each of the photodetection cells 330 ', 340', and 350 'are different, an optimal Geiger mode driving voltage can be provided.

도 6b에 도시된 광검출기(300′)는 도 6a에 도시된 광검출기(300)와는 달리 광검출 셀들(330′, 340′, 350′) 각각이 바이어스 저항(Rb)이나 바이어스 커패시터(Cb)를 포함하지 않아도 된다. 따라서, 광검출 셀들(330′, 340′, 350′) 각각의 사이즈 측면에서는 도 6a의 실시 예에 비하여 줄일 수 있는 장점이 있다. Unlike the photodetector 300 shown in FIG. 6A, the photodetector 300 ′ shown in FIG. 6B has a bias resistor Rb or a bias capacitor Cb in each of the photodetector cells 330 ′, 340 ′, and 350 ′. It does not have to include. Therefore, the size of each of the photodetection cells 330 ′, 340 ′, and 350 ′ may be reduced compared to the embodiment of FIG. 6A.

도 7은 본 발명의 제 2 실시 예에 른 광검출기를 보여주는 블록도이다. 도 7을 참조하면, 광검출기(400)는 아발란치 포토다이오드(APD), 바이어스 회로(410) 및 검출 회로(420)를 포함한다. 그리고 용량을 가변할 수 있는 커플링 커패시터(Cc, 430)와 커플링 커패시터(430)의 용량을 제어하기 위한 용량 제어 회로(440)가 포함된다. 7 is a block diagram showing a photodetector according to a second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7, the photodetector 400 includes an avalanche photodiode (APD), a bias circuit 410, and a detection circuit 420. And a coupling capacitor Cc 430 capable of varying the capacitance and a capacitance control circuit 440 for controlling the capacitance of the coupling capacitor 430.

바이어스 회로(410)는 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드(Cathode)에 항복 전압(V_BR)보다 낮은 바이어스 전압(Vb)을 제공한다. 바이어스 회로(410)는 상대적인 고전압(예를 들면, 약 40~50V)을 생성할 수 있다. 그리고 바이어스 회로(410)는 생성된 고전압을 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드(Cathode)에 정전압으로 제공한다. 도시되지는 않았지만, 바이어스 회로(410)는 생성된 고전압을 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드(Cathode)에 안정적으로 공급하기 위한 저항과 커패시터 등의 수동 소자를 더 포함할 수 있다.The bias circuit 410 provides a bias voltage Vb lower than the breakdown voltage V _BR to the cathode of the avalanche photodiode APD. The bias circuit 410 may generate a relative high voltage (eg, about 40-50V). The bias circuit 410 provides the generated high voltage to the cathode of the avalanche photodiode APD as a constant voltage. Although not shown, the bias circuit 410 may further include passive elements such as resistors and capacitors for stably supplying the generated high voltage to the cathode of the avalanche photodiode (APD).

커플링 커패시터(Cc)의 일단은 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드(Cathode)에 연결된다. 그리고 커플링 커패시터(Cc)의 타단으로는 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드(Cathode)에 인가될 오버드라이브 전압(Vod)이 제공된다. 여기서, 오버드라이브 전압(Vod)의 펄스 크기는 앞서 설명된 제 1 실시 예와는 달리 고정적일 수 있다. 대신, 커플링 커패시터(Cc)의 용량의 크기 변화에 따라 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드(Cathode)에 형성되는 가이거 모드 구동 전압을 다양한 레벨로 조정할 수 있다. 용량 가변형으로 구성되는 커플링 커패시터(Cc, 430)는 집적 회로 형태로 형성될 수 있다. 그리고 스위치(Switch)를 통해서 다양한 크기의 용량으로 조정될 수 있을 것이다.One end of the coupling capacitor Cc is connected to the cathode of the avalanche photodiode APD. The other end of the coupling capacitor Cc is provided with an overdrive voltage Vod to be applied to the cathode of the avalanche photodiode APD. Here, the pulse size of the overdrive voltage Vod may be fixed unlike the first embodiment described above. Instead, the Geiger mode driving voltage formed on the cathode of the avalanche photodiode APD may be adjusted to various levels according to the change in the capacitance of the coupling capacitor Cc. The coupling capacitors Cc and 430 formed of a variable capacitance type may be formed in an integrated circuit form. And the switch can be adjusted to various sizes of capacity.

용량 제어 회로(440)는 용량 가변형으로 구성되는 커플링 커패시터(Cc, 430)의 용량(Capacitance)을 조정한다. 용량 제어 회로(440)는 커플링 커패시터(Cc, 430)의 용량을 설정하기 위한 용량 제어 신호를 생성한다. 용량 제어 회로(440)는 아발란치 포토다이오드(APD)의 특성에 따라 용량 제어 신호를 생성한다. 그러면, 최적의 가이거 모드로 구동되기 위한 용량 제어 신호가 커플링 커패시터(Cc, 430)에 제공될 것이다. 이러한 상태에서 인가되는 오버드라이브 전압(Vod)은 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드 전압(V_N1)을 설정된 용량에 대응하는 커플링 전압으로 부스팅 시킬 것이다. The capacitance control circuit 440 adjusts the capacitance of the coupling capacitors Cc and 430 configured as a variable capacitance type. The capacitance control circuit 440 generates a capacitance control signal for setting capacitance of the coupling capacitors Cc and 430. The capacitance control circuit 440 generates a capacitance control signal according to the characteristics of the avalanche photodiode (APD). The capacitive control signal will then be provided to the coupling capacitors Cc 430 for driving in the optimum Geiger mode. The overdrive voltage Vod applied in this state will boost the cathode voltage V _N1 of the avalanche photodiode APD to a coupling voltage corresponding to the set capacitance.

용량 제어 회로(440)는 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들면, 용량 제어 신호를 바이너리(Binary) 데이터로 제공하는 퓨즈 옵션이나 이피롬(EPROM)과 같은 프로그램 가능한 불휘발성 메모리 소자로 형성될 수 있다. 또는, 불휘발성 메모리 소자로부터 패치된 바이너리 데이터를 저장하고 제공하기 위한 레지스터(Register)와 같은 휘발성 소자들로 구성될 수도 있을 것이다. The capacitance control circuit 440 may be formed in various forms. For example, it may be formed of a programmable nonvolatile memory device such as a fuse option or an EPROM that provides the capacitance control signal as binary data. Or, it may be composed of volatile devices such as registers for storing and providing binary data fetched from the nonvolatile memory device.

검출 회로(420)는 아발란치 포토다이오드(APD)가 가이거 모드로 구동되는 시점에 발생하는 광전류를 검출한다. 광전류의 검출 여부에 따라서, 검출 회로(420)는 광자의 존재 여부를 검출하게 될 것이다. The detection circuit 420 detects the photocurrent generated when the avalanche photodiode APD is driven in the Geiger mode. Depending on whether the photocurrent is detected, the detection circuit 420 will detect the presence of photons.

이상의 도 7에서는 오버드라이브 전압(Vod)의 레벨은 고정시키고, 커플링 커패시터의 용량을 제어하여 최적의 가이거 모드 구동 전압을 제공할 수 있는 광검출기(400)가 기술되었다. 이러한 구성에 따르면, 용량 제어 회로(440)의 설정을 통해서 광검출기(400)의 최적 가이거 모드 구동이 용이하게 구현될 수 있다.In FIG. 7, the photodetector 400 which can fix the level of the overdrive voltage Vod and control the capacitance of the coupling capacitor to provide an optimum Geiger mode driving voltage is described. According to this configuration, the optimum Geiger mode driving of the photodetector 400 can be easily implemented through the setting of the capacitance control circuit 440.

상술한 도 5의 광검출기(400)는 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드에 오버드라이브 전압(Vod)이 제공되는 방식으로 구성되었다. 하지만, 본 발명은 이에 국한되지 않는다. 즉, 아발란치 포토다이오드(APD)의 어노이드(Anode)에 오버드라이브 전압(Vod)이 제공되는 방식으로 광검출기가 구성될 수 있을 것이다. 다만, 이때는 오버드라이브 전압(Vod) 펄스의 로(Low) 구간(또는, 하강 에지)에서 아발란치 포토다이오드(APD)가 가이거 모드로 구동될 것이다.The above-described photodetector 400 of FIG. 5 is configured in such a manner that an overdrive voltage Vod is provided to the cathode of the avalanche photodiode APD. However, the present invention is not limited thereto. That is, the photodetector may be configured in such a manner that the overdrive voltage Vod is provided to the anode of the avalanche photodiode APD. However, in this case, the avalanche photodiode APD will be driven in Geiger mode in a low section (or falling edge) of the overdrive voltage Vod pulse.

도 8a 및 도 8b는 도 7의 용량 가변형으로 형성되는 커플링 커패시터(430)의 예들을 보여주는 회로도들이다. 도 8a는 집적형으로 형성되는 다양한 용량을 갖는 커플링 커패시터들(C0, C1, …, Cm-1) 각각을 스위칭하는 예를 보여준다. 반면에, 도 8b는 디지털 형식으로 제공되는 용량 제어 신호에 의해서 이산적으로 설정될 수 있는 용량 가변형 커플링 커패시터를 보여준다.8A and 8B are circuit diagrams showing examples of the coupling capacitor 430 formed in the variable capacitance type of FIG. 7. 8A shows an example of switching each of the coupling capacitors C0, C1, ..., Cm-1 having various capacities formed in an integrated manner. 8b, on the other hand, shows a capacitively variable coupling capacitor that can be set discretely by a capacitive control signal provided in digital format.

도 8a를 참조하면, 커플링 커패시터(430a)의 용량 제어는 스위치단(431a)의 조합에 의해서 구현된다. 오버드라이브 전압(Vod)의 입력단과 커플링 커패시터들(C0, C1, …, Cm-1) 각각에 연결되는 스위치단(431a)은 복수의 스위치들(SW0, SW1, …, SWm-1)을 포함한다. 용량 제어 신호에 의해서 복수의 스위치들(SW0, SW1, …, SWm-1) 각각이 턴온(Turn on) 되거나 턴오프(Turn off) 된다. 그러면, 커플링 커패시터(430a) 전체의 용량은 턴온되는 스위치들의 합성 용량으로 나타난다. 그리고 가이거 모드로 전환하기 위해 고정적인 레벨의 오버드라이브 전압(Vod)의 펄스가 제공될 것이다. 그러면, 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드 전압(V_N1)은 합성 용량에 대응하는 커플링 전압만큼만 상승하게 될 것이다. Referring to FIG. 8A, capacitance control of the coupling capacitor 430a is implemented by the combination of the switch stage 431a. The switch terminal 431a connected to the input terminal of the overdrive voltage Vod and each of the coupling capacitors C0, C1,..., And Cm-1 may operate the plurality of switches SW0, SW1,..., SWm-1. Include. Each of the plurality of switches SW0, SW1,..., SWm-1 is turned on or turned off by the capacitance control signal. Then, the capacitance of the entire coupling capacitor 430a is represented by the combined capacitance of the switches turned on. A pulse of a fixed level of overdrive voltage Vod will be provided to switch to Geiger mode. Then, the cathode voltage V _N1 of the avalanche photodiode APD will rise only by the coupling voltage corresponding to the combined capacitance.

도 8b를 참조하면, 커플링 커패시터(430b)의 용량 제어는 스위치단(431b)의 조합에 의해서 구현된다. 오버드라이브 전압(Vod)의 입력단과 커플링 커패시터들(432b, 433b, 434b) 각각에 연결되는 스위치단(431b)은 복수의 스위치들(SW0, SW1, SW2)을 포함한다. 용량 제어 신호에 의해서 복수의 스위치들(SW0, SW1, SW2) 각각이 턴온(Turn on) 되거나 턴오프(Turn off)된다. 그러면, 커플링 커패시터(430b) 전체의 용량은 턴온되는 스위치들의 합성 용량으로 나타난다. 그리고 가이거 모드로 전환하기 위해 고정적인 레벨의 오버드라이브 전압(Vod)의 펄스가 제공될 것이다. 그러면, 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드 전압(V_N1)은 합성 용량에 대응하는 크기의 커플링 전압만큼만 상승하게 될 것이다. Referring to FIG. 8B, capacitance control of the coupling capacitor 430b is implemented by the combination of the switch stage 431b. The switch terminal 431b connected to the input terminal of the overdrive voltage Vod and each of the coupling capacitors 432b, 433b, and 434b includes a plurality of switches SW0, SW1, and SW2. Each of the plurality of switches SW0, SW1, and SW2 is turned on or turned off by the capacitance control signal. The capacitance of the coupling capacitor 430b as a whole is then represented by the combined capacitance of the switches that are turned on. A pulse of a fixed level of overdrive voltage Vod will be provided to switch to Geiger mode. Then, the cathode voltage V _N1 of the avalanche photodiode APD will only increase by a coupling voltage of a magnitude corresponding to the combined capacitance.

도 8b에 도시된 커플링 커패시터(430b)는 용량 제어 신호를 3-비트의 이진 신호로 제공하여 이산적인 크기의 합성 용량으로 제어될 수 있다. 또한, 커플링 커패시터들(432b, 433b, 434b) 각각을 구성하는 단위 용량(C)은 동일한 크기로 형성될 수 있기 때문에 집적화에 유리하다.The coupling capacitor 430b shown in FIG. 8B may be controlled as a discrete capacitance synthesized by providing a capacitance control signal as a 3-bit binary signal. In addition, since the unit capacitance C constituting each of the coupling capacitors 432b, 433b, and 434b can be formed in the same size, it is advantageous for integration.

도 9는 도 7의 광검출기를 어레이로 구성하기 위한 다른 실시 예를 보여주는 블록도이다. 도 9를 참조하면, 광검출기(500)는 아발란치 포토다이오드(APD), 바이어스 저항(Rb), 커플링 커패시터(Cc)로 구성되는 광검출 셀들(540, 550, 560)을 포함한다. 광검출기(500)는 전압 공급 회로(510)와 바이어스 커패시터(Cb)를 포함한다. 그리고 광검출기(500)는 각각의 광검출 셀들(540, 550, 560)이 생성하는 광전류를 검출하는 검출 회로(520)를 포함한다. FIG. 9 is a block diagram illustrating another embodiment for configuring the photodetectors of FIG. 7 in an array. Referring to FIG. 9, the photodetector 500 includes photodetection cells 540, 550, and 560 including an avalanche photodiode APD, a bias resistor Rb, and a coupling capacitor Cc. The photodetector 500 includes a voltage supply circuit 510 and a bias capacitor Cb. The photodetector 500 includes a detection circuit 520 for detecting the photocurrent generated by each of the photodetection cells 540, 550, and 560.

전압 공급 회로(510)는 각각의 광검출 셀들(540, 550, 560)에 제공하기 위한 전압을 생성한다. 전압 공급 회로(510)에서 생성된 고전압은 바이어스 저항(Rb)을 통해서 광검출 셀들(540, 550, 560) 각각의 아발란치 포토다이오드(APD)들에 제공된다. 그리고, 바이어스 커패시터(Cb)는 전압 공급 회로(510)가 공급하는 고전압을 안정적으로 아발란치 포토다이오드(APD)들에 제공하도록 작용한다. 여기서, 전압 공급 회로(510), 바이어스 커패시터(Cb) 그리고 바이어스 저항(Rb)은 바이어스 회로(Bias Circuit)로 구성될 수 있다. The voltage supply circuit 510 generates a voltage for providing each of the photodetection cells 540, 550, 560. The high voltage generated by the voltage supply circuit 510 is provided to the avalanche photodiodes APD of each of the photodetection cells 540, 550, and 560 through the bias resistor Rb. The bias capacitor Cb serves to stably provide the high voltage supplied by the voltage supply circuit 510 to the avalanche photodiodes APD. Here, the voltage supply circuit 510, the bias capacitor Cb, and the bias resistor Rb may be configured as a bias circuit.

검출 회로(520)는 각각의 광검출 셀들(540, 550, 560)에 흐르는 광전류를 검출한다. 오버드라이브 전압(Vod)이 제공되면, 각각의 광검출 셀들(540, 550, 560)이 가이거 모드로 구동될 것이다. 그러면, 검출 회로(520)는 가이거 모드에서 각각의 광검출 셀들(540, 550, 560)이 검출하는 광전류를 이용하여 광자의 검출 유무를 판단하게 될 것이다. The detection circuit 520 detects a photocurrent flowing in each of the photodetection cells 540, 550, and 560. Given the overdrive voltage Vod, each of the photodetection cells 540, 550, 560 will be driven in Geiger mode. Then, the detection circuit 520 may determine whether photons are detected by using the photocurrent detected by each of the photodetection cells 540, 550, and 560 in the Geiger mode.

광검출 셀들(540, 550, 560) 각각은 아발란치 포토다이오드(APD), 바이어스 저항(Rb), 커플링 커패시터(Cc)를 포함한다. 광검출 셀들(540, 550, 560) 각각의 커플링 커패시터(Cc)에는 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드 전압(V_N1)을 부스팅시키기 위한 오버드라이브 전압(Vod)이 제공된다. 오버드라이브 전압(Vod)은 광검출 셀들(540, 550, 560)에 동일한 크기로 제공될 수 있다. 하지만, 집적형으로 형성되는 용량 가변형 커플링 커패시터(Cc)는 광검출 셀들(540, 550, 560) 마다 다른 크기로 설정될 수 있다. 따라서, 광검출 셀들(540, 550, 560) 각각의 아발란치 포토다이오드(APD)는 서로 다른 커플링 전압을 제공받을 수 있다. 결국, 광검출 셀들(540, 550, 560) 각각의 아발란치 포토다이오드(APD)의 특성이 다르더라도 최적의 가이거 모드 동작 전압이 제공될 수 있다. Each of the photodetection cells 540, 550, and 560 includes an avalanche photodiode APD, a bias resistor Rb, and a coupling capacitor Cc. The coupling capacitor Cc of each of the photodetection cells 540, 550, and 560 is provided with an overdrive voltage Vod for boosting the cathode voltage V _N1 of the avalanche photodiode APD. The overdrive voltage Vod may be provided to the photodetection cells 540, 550, and 560 with the same magnitude. However, the capacitively variable coupling capacitor Cc, which is formed as an integrated type, may be set to a different size for each of the photodetection cells 540, 550, and 560. Accordingly, the avalanche photodiode APD of each of the photodetection cells 540, 550, and 560 may be provided with different coupling voltages. As a result, even if the characteristics of the avalanche photodiode (APD) of each of the photodetection cells 540, 550, and 560 are different, an optimal Geiger mode operating voltage may be provided.

용량 제어 회로(530)는 광검출 셀들(540, 550, 560) 각각의 커플링 커패시터의 용량을 설정하기 위한 구성이다. 용량 제어 회로(530)는 광검출 셀들(540, 550, 560) 각각이 최적으로 가이거 모드로 구동되기 위한 커플링 커패시터(Cc)의 용량을 셋팅(Setting)한다. 앞서 설명된 바와 같이, 용량 제어 회로(530)는 용량 제어 신호를 디지털 값으로 제공하는 퓨즈 옵션이나 이피롬(EPROM)과 같은 프로그램 가능한 불휘발성 메모리 소자로 형성될 수 있다. 또는, 용량 제어 회로(530)는 불휘발성 메모리 소자로부터 패치된 바이너리 데이터를 저장하고 제공하기 위한 레지스터와 같은 휘발성 소자들로 구성될 수도 있을 것이다. The capacitance control circuit 530 is a configuration for setting the capacitance of the coupling capacitor of each of the photodetection cells 540, 550, and 560. The capacitance control circuit 530 sets the capacitance of the coupling capacitor Cc so that each of the photodetection cells 540, 550, and 560 is optimally driven in the Geiger mode. As described above, the capacitance control circuit 530 may be formed of a programmable nonvolatile memory device such as a fuse option or an EPROM that provides the capacitance control signal as a digital value. Alternatively, the capacity control circuit 530 may be composed of volatile elements such as registers for storing and providing binary data fetched from the nonvolatile memory device.

도 10은 도 9의 광검출기(500)의 바이어스 동작을 보여주는 타이밍도이다. 도 10을 참조하면, 광검출 셀들(540, 550, 560, 도 9 참조) 각각의 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드 전압(V_N1)의 변화를 보여준다. FIG. 10 is a timing diagram illustrating a bias operation of the photodetector 500 of FIG. 9. Referring to FIG. 10, the change in the cathode voltage V _N1 of the avalanche photodiode APD of each of the photodetection cells 540, 550, 560, and FIG. 9 is shown.

광검출 셀들(540, 550, 560) 각각이 최적의 가이거 모드 조건으로 구동되도록 용량 제어 회로(530, 도 9 참조)는 3-비트의 용량 제어 신호를 제공한다. 그리고 가이거 모드로의 진입을 위해, 오버드라이브 전압(Vod)이 제공된다. 그러면, t1 시점에서, 광검출 셀들(540, 550, 560) 각각의 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드 전압(V_N1)은 복수 레벨의 전압으로 바이어스될 수 있다. The capacitive control circuit 530 (see FIG. 9) provides a 3-bit capacitive control signal such that each of the photodetection cells 540, 550, 560 is driven to an optimal Geiger mode condition. And to enter the Geiger mode, the overdrive voltage Vod is provided. Then, at time t1, the cathode voltage V _N1 of the avalanche photodiode APD of each of the photodetection cells 540, 550, and 560 may be biased to a plurality of levels of voltage.

예를 들면, 용량 제어 신호가 "011"의 이진 값으로 제공되는 광검출 셀에서, 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드 전압(V_N1)은 V2 레벨로 바이어스될 것이다. 반면, 용량 제어 신호가 "101"의 이진 값으로 제공되는 광검출 셀에서, 아발란치 포토다이오드(APD)의 캐소드 전압(V_N1)은 V3 레벨로 바이어스될 것이다. 즉, 용량 제어 신호를 3-비트의 이진 신호로 구성하는 경우, 8개의 서로 다른 용량으로 커플링 커패시터를 설정할 수 있음을 의미한다. 제어의 정밀도를 높이기 위해서는 더 많은 수의 단위 커패시터들(C)과 스위치들(SWs)을 구비하면 될 것이다. For example, in a photodetector cell where the capacitance control signal is provided at a binary value of " 011 ", the cathode voltage V _N1 of the avalanche photodiode APD will be biased to the V2 level. On the other hand, in a photodetection cell in which the capacitance control signal is provided at a binary value of " 101 ", the cathode voltage V _N1 of the avalanche photodiode APD will be biased to the V3 level. That is, when the capacitance control signal is configured as a 3-bit binary signal, it means that the coupling capacitor can be set to eight different capacitances. In order to increase the precision of the control, a larger number of unit capacitors C and switches SWs may be provided.

이상에서 설명된 실시 예들에서 검출 회로들(120, 220, 320, 420, 520)은 광전류를 직접 검출하는 방식으로 구성될 수 있다. 또는, 검출 회로들(120, 220, 320, 420, 520)은 저항을 부가하여 감지되는 광전류를 전압 신호로 검출하도록 구성될 수 있다. 그리고 검출 회로들(120, 220, 320, 420, 520)은 검출 성능을 높이기 위한 전치 증폭기(Pre-amplifier)나 전류 이득 증폭기(Trans Impedance Amplifier)를 더 포함할 수 있다. In the embodiments described above, the detection circuits 120, 220, 320, 420, and 520 may be configured in a manner of directly detecting a photocurrent. Alternatively, the detection circuits 120, 220, 320, 420, and 520 may be configured to detect a photocurrent detected by adding a resistor as a voltage signal. The detection circuits 120, 220, 320, 420, and 520 may further include a pre-amplifier or a current gain amplifier for improving detection performance.

또한, 각 실시 예들에서 소개된 아발란치 포토다이오드(APD)는 화합물 또는 실리콘이나 그 밖의 다양한 재료나 공정에 의해서 형성될 수 있다. 즉, 가이거 모드에서 구동되는 제반 집적형 아발란치 포토다이오드(APD)에는 본 발명의 장점들이 적용될 수 있을 것이다.In addition, the avalanche photodiode (APD) introduced in each of the embodiments may be formed by a compound, silicon or other various materials or processes. That is, the advantages of the present invention may be applied to an integrated avalanche photodiode (APD) driven in Geiger mode.

본 발명의 실시 예들에 따른 광검출기는 3차원 영상 시스템에 용이하게 적용될 수 있다. 사물에 대한 이미지를 실시간으로 영상화하려면 단일 레이저 펄스를 이용하여 물체의 전체적인 3차원 영상을 얻는 것이 바람직하다. 단일 레이저 펄스를 이용한 3차원 영상화 기술의 핵심은, 물체의 전 영역에 레이저 펄스를 조사하고 되돌아오는 빛을 광검출 셀들의 어레이 배열을 통해서 받아들이는 것이다. 그리고 각 픽셀별로 레이저 펄스의 왕복 시간(TOF: Time Of Flight)을 계산함으로써 3차원 영상을 획득할 수 있다. The photodetector according to the embodiments of the present invention can be easily applied to a 3D imaging system. In order to image an image of an object in real time, it is desirable to obtain an overall three-dimensional image of an object using a single laser pulse. The key to three-dimensional imaging technology using a single laser pulse is to irradiate the laser pulses over the entire area of the object and to receive the return light through an array of photodetector cells. The 3D image may be obtained by calculating a time of flight (TOF) of the laser pulse for each pixel.

본 발명의 실시 예들에 따른 광검출기를 3차원 영상 라이다(LIDAR) 시스템으로 구성하면, 반사되어 되돌아오는 미약한 광자들을 먼 거리에서도 용이하게 검출할 수 있을 것이다. If the photodetector according to the embodiments of the present invention is configured as a 3D LIDAR system, the weak photons that are reflected and returned may be easily detected at a long distance.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지로 변형할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, but should be determined by the claims equivalent to the claims of the present invention as well as the claims of the following.

Claims

Avalanche photodiodes;
A bias circuit for providing a bias voltage to one end of the avalanche photodiode;
A detection circuit connected to the other end of the avalanche photodiode, for detecting a photocurrent generated in the avalanche photodiode; And
A coupling capacitor connected to one end or the other end of the avalanche photodiode and providing a coupling voltage for driving the avalanche photodiode in Geiger mode,
The coupling capacitor is formed of a variable type, the magnitude of the coupling voltage is a photodetector variable according to the capacity of the coupling capacitor.

The method of claim 1,
And the bias voltage is lower than the breakdown voltage of the avalanche photodiode.

delete

The method of claim 1,
And a capacitance control circuit for setting the capacitance of said coupling capacitor.

The method of claim 1,
And the capacitance control circuit comprises a programmable memory element.

The method of claim 1,
The bias circuit,
A voltage supply circuit for generating a high voltage;
A bias capacitor connected between the output node of the voltage supply circuit and ground, and configured to stabilize the high voltage; And
And a resistor coupled between an output node of the voltage supply circuit and one end of the avalanche photodiode.

The method of claim 1,
And the coupling capacitor is connected to one end of the avalanche photodiode, the photodetector being driven in the Geiger mode at a high level of the coupling voltage.

The method of claim 1,
And the coupling capacitor is connected to the other end of the avalanche photodiode, the photodetector being driven in the Geiger mode in a low level section of the coupling voltage.

The method of claim 1,
The coupling capacitor includes a first coupling capacitor connected to one end and a second coupling capacitor connected to the other end.

11. The method of claim 10,
And the first coupling capacitor and the second coupling capacitor are provided with a differential voltage.

The method of claim 1,
The avalanche photodiode or the coupling capacitor is formed as an integrated circuit.

A plurality of photodetection cells each comprising a coupling capacitor for providing a coupling voltage to one or the other of the avalanche photodiode and the avalanche photodiode;
A bias circuit for providing a bias voltage to one end of each of the plurality of photodetection cells; And
A detection circuit connected to the other end of the avalanche photodiode of each of the plurality of photodetection cells and detecting a photocurrent detected from the plurality of photodetection cells in Geiger mode operation,
The coupling capacitor has a variable shape, and in Geiger mode, the capacitance of the coupling capacitor of each of the plurality of photodetection cells can be set to at least two different sizes.

delete

The method of claim 13,
And a coupling capacitor of each of the plurality of photodetection cells is provided with the same level of overdrive voltage to induce a coupling voltage.

17. The method of claim 16,
And a capacitance control circuit for setting capacitance of coupling capacitors of each of said plurality of photodetection cells.

The method of claim 13,
The avalanche photodiode or coupling capacitor included in each of the plurality of photodetection cells is integrally formed, and the plurality of photodetection cells are formed in an array in a two-dimensional plane.