盖革模式下的单光子雪崩二极管SPAD(Single Photon Avalanche Diode)是一种能够探测极微弱光信号的探测器,在量子物理、生物医学、天文学等领域得到广泛应用。然而关于SPAD器件的理论研究,都是基于经验公式和半导体物理的理论公式推导而来,所有的理论结果都需要实验来验证,这加大了器件的研究成本。在仿真模型方面,目前CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺厂商并没有提供准确的可供电路仿真的SPAD EDA模型,给系统的仿真带来困难。在荧光寿命应用方面,目前比较成熟的技术是TCSPC(Time-Correlated Single Photon Counting),但其占用了较大版图面积,应用TCSPC浪费了电路性能。针对上述存在的一些问题,首先,本文深入研究了影响探测器探测效率、暗计数率、后脉冲几率的物理机制。对探测效率综合考虑上表面吸收、下表面吸收、耗尽层吸收三个物理机制,结合Silvaco仿真工具提取器件的电场分布和雪崩触发几率分布,从而计算探测效率随过偏压、探测区面积、波长的变化关系,并与文献报道的实验结果进行比对,验证理论的正确性。同时深入探讨了影响暗计数率的三个物理机制—热产生、缺陷辅助遂穿、带带遂穿,分析在低场和强场下,分别是那种机制占主导作用,并文献报道的实验结果比对,分析误差原因。对后脉冲几率,假定了两个陷阱能级对后脉冲几率的影响,研究了陷阱电子和空穴从俘获到再次释放的过程,最终计算出后脉冲几率。其次,在上述理论模型的基础上,设计了一个行为性的单光子探测器EDA(Electronic Design Automation)仿真模型,该模型不仅可以模拟器件的电流电压特性,而且首次将上述的理论计算得到光子探测效率,暗计数率和后脉冲几率,转化为器件仿真时的噪声参数,使EDA模型的仿真结果更加符合实际器件的工作状态。该仿真模型应用硬件描述语言Verilog-A来实现,语言中包含一些随机分布函数,利用这些函数,可以很好地实现器件的行为性特性的仿真建模。最后,设计一个检测荧光寿命的像素单元电路,该电路应用时间门控探测方法,利用两个门控窗口,通过大量的累计实验,将两个门控窗口内到达的光子数统计出来,最终确定荧光的寿命。因为大部分荧光的寿命都在ns级,所以需要通过单稳态电路将光子脉冲压缩为300ps左右的精度。该电路与时间相关的单光子计数相比,不需要记录每个光子的到达时间,因而压缩单个像素单元的面积,使得大规模的阵列集成成为可能。同时该电路可以工作于两种状态下,门控模式用作荧光寿命的测量,连续模式则可以用作单光子的模拟计数。