Il existe une multitude d’applications où la détection de très faibles niveaux lumineux (jusqu’à quelques photons, voir le photon unique) est une partie clé de la mesure dans des domaines tels que l’imagerie médicale, l’astrophysique. Jusqu’à un passé récent, le seul composant permettant de détecter des niveaux aussi bas que le photon unique était le photomultiplicateur. Ce composant est volumineux, fragile, nécessite l’utilisation de hautes tensions et possède une résolution spatiale faible. Depuis quelques années, la faisabilité de photodétecteurs à photons uniques connus sous l’acronyme de SPAD (pour Single-Photon Avalanche Diode) dans un procédé de fabrication CMOS standard a été démontrée. Ces avancées permettent de réaliser des imageurs de haute résolution et grande sensibilité. Le travail dans cette thèse démarre par la compréhension du comportement de l’élément photosensible (le SPAD) pour finir par la conception du circuit de lecture associé au SPAD. Le deuxième axe de travail proposé dans cette thèse est un modèle haut niveau du SPAD suivi par son circuit de lecture. Le troisième axe propose une nouvelle architecture de lecture qui vise l’amélioration de la dynamique globale. Finalement, dans le dernier chapitre on propose une réalisation électrique CMOS du circuit à dynamique élevée.