單光子雪崩二極管（SPAD）傳感器正在市場上涌現，并被應用于需要極高靈敏度、精確時序和三維成像能力的汽車、醫療和工業應用，通常在低光環境下。設計挑戰包括管理死時間、抑制后脈沖和暗計數等噪聲源、減少光學串擾，以及實現高光子探測概率（PDP）和高分辨率，尤其是在將SPAD集成到大型陣列時。

SPAD采用雪崩過程，從單個光子產生顯著電流。這導致其功耗高于傳統CMOS傳感器。作為更高的功耗，SPADS可以提供更優越的信噪比（SNR）性能和其他優勢。

偏置與電子學

基本的SPAD由一個p-n結組成，偏置于擊穿電壓（V）B).它們檢測單光子的能力源于當電場足夠高，達到臨界值（>3.105 V/cm）克服V時，發生的正反饋作B帶有過量偏置（V前）偏置電壓（圖1）。

圖1。關鍵的SPAD規范包括擊穿電壓（VB）以及過量偏置電壓（V前).（圖片來源：物理學前沿)

SPAD是雙穩態器件，要么處于靜止狀態，要么處于雪崩狀態。該裝置必須保持在平靜狀態，偏置于擊穿之上，持續超過一毫秒，等待雪崩電流注入。一旦光子產生電子-空穴對，雪崩就會以小于1納秒的上升時間啟動，達到1毫安或更高的電流，足以被讀出電路檢測到。

如果不及時淬火，雪崩電流可能足以損壞裝置。讀出電路必須檢測雪崩的前緣，產生輸出脈沖，并迅速將偏置降低至VB并恢復初始運行水平。該讀出電路有時被稱為傳感、淬火和充電電路，或簡稱淬火電路。

性能考量

SPAD可能因熱效應產生假計數，尤其是在高溫和V升高時前.所得的暗計數率（DCR）可以通過V的優化組合來管理前以及保持傳感器的正確工作溫度。

暗計數是隨機且無相關性的噪聲脈沖，而后脈沖則是SPAD中的相關噪聲。當被困載波在雪崩事件后產生假信號（后脈沖）時，就會產生后脈沖現象。通過暗計數和后脈沖，則沒有光子被探測到。如主動淬火或雪崩事件后增加死時間等技術，可以最大限度地減少后脈沖。

SPADs的連鎖事故也可能是個挑戰。當光子過多時，SPAD會被壓倒，導致計數不準確。通過同步SPAD的死時間與激光照明器，以及堆疊后處理算法，可以最大限度地減少這一問題。

數據處理可能是SPAD的另一個挑戰。一個大型數組可以產生大量數據。這需要高效的讀出架構和高速數據處理，以在高峰運行條件下實現足夠的吞吐量。

信號、噪聲與圖像質量

通過增加激光輸出、有效降低信背景噪比（SbNR）以及提高采樣率，可以提升汽車激光雷達及類似應用中的激光照明SPAD成像性能。這會增加整體功耗。

如預期，低功耗、低信噪比且樣品較少的解會在物體位置的估計方差中產生最大（見圖2）。雖然高采樣率和高信噪比消耗更多功率，但在估計位置產生最小的方差。低信噪比與多樣本或高信噪比但樣本較少的組合，結果方差中等，功耗介于中等。

圖2。不同信噪比（SbNR）和樣本量對SPAD系統性能影響的示例。（圖片來源：科學報告)

首次到達差分計數

首次到達差分（FAD）計數用于簡化需要精確光子傳播時間但不需要精確到達時間的SPAD應用。FAD不再使用精確的時間戳和復雜的每像素計時電路，如時間到數字轉換器（TDC），而是利用第一個光子的到達時間編碼后續光子到達的差分時間信息，并支持與強度或深度相關的計算。

FAD常用于高動態范圍（HDR）成像和閃光激光雷達等應用。在這些應用中，使用了完整的 SPAD 像素陣列。為每個像素捕捉精確的時間戳會導致電路復雜、成本更高，且結果可能更不精確。FAD可以克服這些局限。

摘要

SPAD是激光雷達及其他成像和測距應用中快速發展的技術。雖然它們能提供優于傳統技術的性能，但也要求設計師采用新方法以實現最大效益，尤其是在對電力敏感的場景下。