SPAD 单光子雪崩二极管

news2024/9/29 4:43:41

一、简介

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。

二、基本结构

按照光子入射方向，目前硅基SPAD器件主要分为前照式和背照式两种结构。

三、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。

3.1 SPAD工作的详细步骤

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。

3.2 淬灭电路

当单光子雪崩二极管被触发雪崩后，如果没有外界的作用，将一直维持在雪崩状态，无法再进行单光子检测，且过大的雪崩电流会使器件产生损耗，因此通常会将单光子雪崩二极管与淬灭－恢复电路联合使用。根据工作机制，淬灭－恢复电路可以分为被动式、主动式以及门控式三种。

以被动淬灭－恢复电路为例，分析其工作原理，最简单的被动淬灭－恢复电路是将SPAD直接与一个较大阻值电阻串联，如图所示。当SPAD被触发雪崩，雪崩电流流过淬灭电阻时，电阻上会产生足够大的压降，使得SPAD两端的偏置电压低于击穿电压，此时耗尽区的电场强度不足以让载流子继续引发碰撞电离，因此雪崩过程被淬灭。在雪崩淬灭后，PN结耗尽区的寄生电容将通过电阻缓慢充电到初始偏置电压，并具有再次进行单光子检测的能力。对于电阻淬灭恢复电路，恢复时间由RC时间常数决定，R为淬灭电阻阻值，C为耗尽区寄生结电容。雪崩二极管淬灭和恢复过程的持续时间又被称为死时间，如图8所示，处于死时间内的单光子雪崩二极管不具有检测光子的能力。

四、SPAD、APD、PD

	SPAD	APD	PD
	单光子雪崩二极管	雪崩光电二极管	光电二极管
工作原理	工作电压高于雪崩击穿电压时，进入盖革模式。此时，光子入射产生的电子-空穴对在高电场下产生雪崩效应，触发一个可被检测到的电信号。	反向偏压超过其雪崩击穿电压时，进入雪崩模式。此时，光生载流子在高电场下发生碰撞电离，产生新的电子-空穴对，从而实现信号的倍增	当光照射到其PN结时，会产生电子-空穴对，形成光电流。
灵敏度	高	相比SPAD较低	低
检测	单个光子	广范围的光强

五、特性参数

光子探测效率（Photon Detection Efficiency, PDE）：这是衡量SPAD检测光子能力的一个指标，表示在一定条件下，触发雪崩效应的光子占总入射光子的比例。
暗计数率（Dark Count Rate, DCR）：指在没有光照射的情况下，由于热噪声等因素引起的误计数率。
定时抖动（Timing Jitter）：指测量光子到达时间的精度，通常表现为时间测量的波动或不确定性。
雪崩倍增因子：SPAD发生雪崩击穿后的电流与雪崩击穿前的电流的比值，即SPAD的电流增益。
响应度：用来表示入射光产生的光电流和入射光的功率之间的关系。
死区时间（Dead Time）：SPAD在触发雪崩后，需要一段时间恢复到可以再次检测光子的状态，这段时间称为死区时间。
后脉冲（Afterpulsing）：雪崩发生后，由于电荷载流子的释放可能触发新的雪崩，产生额外的脉冲