来源：芝能汽车

单光子雪崩二极管（SPAD）及其阵列结构正在成为低光强成像、量子通信、飞行时间测距等领域的关键器件。其核心在于通过高反向偏置工作于Geiger模式，实现对单一光子的高增益响应。

随着电路集成与工艺技术的进步，SPAD正在从单点探测器演变为可扩展、高精度、具备实时处理能力的集成系统。

工程落地仍面临暗计数率高、余脉冲干扰、像素串扰等挑战，亟需从物理结构、电路架构到系统集成等多个层面进行全链条优化。

根据《SPAD and SPAD Arrays: Theory, Practice, and Applications》这个讲座的内容，我们一起来梳理SPAD及其阵列的工作原理、关键技术路径和工程实践演进，这是辅助驾驶、激光雷达等应用领域很重要的一个元器件。

  SPAD的工作原理与工程实现细节

SPAD的基本结构是一个PN结，在工作时加上远高于击穿电压的反向偏置，从而使其处于Geiger模式。

此状态下，当一个入射光子在耗尽区中产生电子-空穴对，将在极强电场中触发一场雪崩电离过程，迅速放大为一个可识别的电流脉冲。这一脉冲是自持的，需要通过外部电路淬灭。

● 淬灭机制与电路实现

最早的SPAD使用被动淬灭方式，即在SPAD与电源之间串联一个高阻值电阻。

当雪崩发生时，器件两端电压迅速下降至击穿电压以下，自动终止放电。恢复过程则依赖RC时间常数，限制了最大计数率，典型恢复时间约为几十纳秒。

为了提升速度与可控性，后续发展出主动淬灭方式。该方法通过高速比较器检测脉冲前沿，在极短时间内将偏置拉低至击穿以下，并设定保持时间以防止余脉冲。电路实现中常采用高速MOS开关控制偏置路径，实现纳秒级关断与恢复。

例如，在CMOS工艺中，集成一个电荷控制模块与电压钳位结构，可以有效减少雪崩残余电荷造成的串扰与误触发。混合淬灭架构结合了上述两种方式，在电流路径上加入MOSFET控制电阻实现精准控制，同时兼顾功耗与集成度。

● 数字响应特性与物理限制

SPAD输出为二值信号：若检测到光子即输出“1”，否则为“0”。这使得单体SPAD无法区分一个时间窗口内到底来了多少个光子。

其时间分辨率受限于雪崩触发的不确定性，称为时间抖动（jitter），目前在高性能器件中可控制在几十皮秒以内。

性能指标还包括：

◎ 光子探测概率（PDP），由材料的量子效率与Geiger概率共同决定。硅SPAD在可见光波段表现优异，而红外波段则需InGaAs等材料。

◎ 暗计数率（DCR），主要来源于热激发及晶体缺陷。与温度、器件面积和偏置电压呈指数关系。典型值可在每秒几千次至数百万次之间波动。

◎ 最大计数率，决定于恢复速度。对于高速成像应用，该参数直接影响图像刷新率和动态范围。

◎ 余脉冲效应，即一次雪崩结束后，在恢复期间由于残余电荷或载流子陷阱释放引发的二次误触发。

◎ Time Jitter：指响应时延的统计抖动，通常可达几十皮秒，随过压升高而优化。

在设计SPAD时需对器件结构、电压控制和材料工艺进行综合优化。例如采用深P-well结构或埋层可抑制热载流子泄漏，提升DCR稳定性。

Part 2

  SPAD阵列架构与系统级集成路径

随着对高分辨率、高速探测的需求增长，SPAD逐步从单一像素器件向阵列结构扩展，形成具备一定空间、时间分辨能力的探测平台。这一过程中涉及多个层次的集成与协同设计。

SPAD阵列与像素级模块化设计

最常见的形式之一是硅光电倍增器（SiPM），由上百至上千个SPAD单元并联构成。

在大面积光照下，多个SPAD同时触发，输出电压与触发数近似成正比，形成类模拟信号。其优点在于高增益和高动态范围，广泛应用于高能物理、正电子断层成像等场景。

更先进的SPAD阵列在每个像素中集成如下模块：

◎ TIA跨阻放大器：将雪崩电流脉冲转为电压信号，用于后续处理。

◎ 计数器：用于累加一定时间窗口内的触发事件，反映局部光强。

◎ TDC（Time-to-Digital Converter）：记录每次事件发生的绝对时间戳，用于飞行时间测距、三维成像等应用。

◎ 门控电路：用于时间窗限制，提升信噪比，在背景噪声强或强光场景尤为重要。

◎ 直方图生成模块：将TDC输出转为事件分布，有助于构建深度图。

◎ 一致性判别逻辑：在多个像素同一时刻发生事件时提高触发有效性，常用于抗串扰设计。

随着CMOS工艺的演进，3D堆叠成为突破点之一。通过垂直集成探测器阵列与信号处理电路，可将逻辑功能与像素单元分层布局，在有限面积内提升阵列密度与功能复杂度。

光学耦合与串扰管理

SPAD由于感光面积较小，为提升光利用率，常结合微透镜阵列，将外部光线聚焦至SPAD敏感区域，提高PDP。

此外，在阵列结构中，串扰是不可忽视的问题。主要包括：

◎ 电气串扰：雪崩过程产生的电流脉冲可能耦合至邻近电路，引发误触发。

◎ 光学串扰：雪崩中发出的次级光子可能进入邻近像素，触发额外雪崩事件。

常见缓解措施包括：使用深沟槽隔离结构以物理阻断次级光子传播路径，引入反射层或光学屏蔽层以降低垂直或侧向串扰，通过多帧时间滤波或门控窗口以抑制异步误触发，以及在片上部署串扰检测逻辑并结合软件算法进行去噪处理。

在近红外领域，InGaAs材料SPAD适用于1.3–1.6 µm波段，适配光纤通信、夜视与激光雷达等高端场景。

尽管其暗计数率较高、工作温度要求更严格，但在光子稀疏条件下具有不可替代的优势。为降低成本，目前正在探索薄膜堆叠、局部退火等工艺优化路径。

SPAD技术正从早期实验室阶段走向工程化、系统化，技术的核心已不仅仅是单一器件的性能参数，而是从像素架构、电路协同到数据处理的全链条设计与优化。

优势在于具备高时间分辨率、低光强响应能力和极高的集成潜力，已经成为量子成像、Lidar传感和生物医学中的关键支点。

工程实现中的暗计数控制、串扰管理、集成规模与功耗平衡依旧是制约其普及的重要技术壁垒。未来发展方向将聚焦于以下几方面：

◎ 推进红外SPAD的产业化，提高探测效率与成本控制能力；

◎ 深度集成TDC与片上逻辑，拓展至边缘实时成像应用；

◎ 缩小像素尺寸，实现超高分辨率阵列；

◎ 构建3D集成结构，探索光电融合架构，面向新一代图像传感芯片。

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