SPAD激光接收器介绍

前言:
  本篇文章对SPAD激光接收器进行介绍。

1 什么是SPAD

  SPAD，全称为Single Photon Avalanche Diode（单光子雪崩二极管），是一种高灵敏度的光电探测器件，能够在非常低的光照水平下检测单个光子。SPAD在工作时，当一个光子被探测器吸收后，能够触发一个雪崩效应，产生一个可以被检测到的电信号。
  基本结构如下。

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2 SPAD的工作原理

  单光子雪崩二极管是单光子成像的关键核心器件，其本质为一个工作在反向偏压下的PN结，且工作电压高于击穿电压，处于盖格模式，I-V特性曲线如图1（a）所示，反偏PN结能带结构及电子－空穴对输运过程如图1（b）所示。其基本原理为：当耗尽区（倍增区）没有自由载流子并且反向偏压达到雪崩击穿要求的数值时，SPAD将处于稳态，器件耗尽区中会形成很强的电场，但是没有自由载流子发生电离，待入射光产生的光生载流子注入至耗尽区，在雪崩倍增效应下连续碰撞电离后产生雪崩信号。SPAD具有高灵敏度和高增益的特点。

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3 SPAD工作步骤

  • 光电效应 : 当一个光子入射到SPAD上时，如果光子的能量足够，它能够在SPAD的耗尽区产生一个电子-空穴对。
  • 雪崩倍增 : 耗尽区具有高电场强度，新产生的电子-空穴对在电场作用下获得能量，并与晶格原子碰撞，产生更多的电子-空穴对。这个过程称为雪崩倍增效应，可以在极短的时间内产生大量的载流子。
  • 击穿与触发 : SPAD工作在高于雪崩击穿电压的反向偏压下。当光子引发雪崩效应时，如果反向偏压足够高，SPAD将进入盖革模式，此时的增益理论上是无穷大，即单个光子就能使SPAD产生饱和的光电流。
  • 淬灭与恢复 : 雪崩一旦发生，SPAD需要迅速回到其原始状态以检测下一个光子。这个过程称为淬灭。通常，通过与一个大电阻串联来实现，雪崩电流流过这个电阻时，SPAD两端的电压降低，从而抑制雪崩。然后，通过电路使SPAD恢复到初始状态，以便再次检测光子。

4 PD, APD, SPAD对比

特性 SPAD APD PD
中文全称 单光子雪崩二极管 雪崩光电二极管 光电二极管
工作模式 盖革模式 线性模式 光电导模式
工作原理 工作电压高于雪崩击穿电压，进入盖革模式。一个入射光子即可触发自持的雪崩倍增效应，输出一个确定的电脉冲。 工作电压略低于雪崩击穿电压，进入线性模式。光生载流子发生雪崩倍增，输出电流与入射光强度成正比。 在反向偏压下，入射光子在PN结耗尽层内产生电子-空穴对，形成与光强成正比的微弱光电流。
偏置电压 远高于击穿电压 略低于击穿电压 低于击穿电压（通常0V或较低反偏压）
灵敏度 极高（单光子级别） 高（具有内部增益） 低（无内部增益）
检测能力 离散的光子事件 连续的光强度 连续的光强度
输出信号 数字脉冲 模拟电流 模拟电流
增益 极高（例如 10⁵ - 10⁶），但输出饱和 中等（例如 10 - 1000倍） 无增益（增益=1）
优势 单光子灵敏度、精确光子计时、易于集成大规模阵列 高灵敏度、宽动态范围、技术成熟 结构简单、线性度好、成本低、响应快、噪声低
劣势 有“死时间”、需要淬灭电路、工艺复杂 需要稳定的高压偏置、增益对温度和电压敏感 无内部放大，后续电路要求高，难以探测微弱信号
主要应用 dToF激光雷达、量子通信、荧光寿命成像、低光成像 iToF激光雷达、光纤通信、测距仪 光通信、亮度感应、激光测距（短距）、条码扫描

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