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单光子雪崩二极管（SPAD）非常阵列结构正在成为低光强成像、量子通讯、遨游时候测距等鸿沟的要津器件。其中枢在于通过高反向偏置职责于Geiger模式，终了对单一光子的高增益响应。

跟着电路集成与工艺时刻的跳动，SPAD正在从单点探伤器演变为可彭胀、高精度、具备及时处贤达商的集成系统。

工程落地仍濒临暗计数率高、余脉冲侵犯、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。

阐述《SPAD and SPAD Arrays: Theory, Practice, and Applications》这个讲座的执行，咱们一王人来梳理SPAD非常阵列的职责旨趣、要津时刻旅途和工程践诺演进，这是补助驾驶、激光雷达等应用鸿沟很弥留的一个元器件。

Part 1

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SPAD的职责旨趣与工程终了细节

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

● 淬灭机制与电路终了

最早的SPAD使用被迫淬灭面容，即在SPAD与电源之间串联一个高阻值电阻。

当雪崩发生时，器件两头电压赶紧下落至击穿电压以下，自动斥逐放电。归附进程则依赖RC时候常数，搁置了最大计数率，典型归附时候约为几十纳秒。

为了普及速率与可控性，后续发展出主动淬灭面容。该要领通过高速相比器检测脉冲前沿，在极短时候内将偏置拉低至击穿以下，并设定保抓时候以防患余脉冲。电路终了中常剿袭高速MOS开关适度偏置旅途，终了纳秒级关断与归附。

举例，在CMOS工艺中，集成一个电荷适度模块与电压钳位结构，不错有用减少雪崩残余电荷酿成的串扰与误触发。羼杂淬灭架构联结了上述两种面容，在电流旅途上加入MOSFET适度电阻终了精确适度，同期兼顾功耗与集成度。

● 数字响应特质与物理搁置

SPAD输出为二值信号：若检测到光子即输出“1”，不然为“0”。这使得单体SPAD无法差异一个时候窗口内到底来了若干个光子。

当时候分辨率受限于雪崩触发的不笃定性，称为时候抖动（jitter），当今在高性能器件中可适度在几十皮秒以内。

性能预备还包括：

◎ 光子探伤概率（PDP），由材料的量子成果与Geiger概率共同决定。硅SPAD在可见光波段线路优异，而红外波段则需InGaAs等材料。

◎ 暗计数率（DCR），主要开始于热激勉及晶体谬误。与温度、器件面积和偏置电压呈指数关连。典型值可在每秒几千次至数百万次之间波动。

◎ 最大计数率，决定于归附速率。关于高速成像应用，该参数成功影响图像刷新率和动态范围。

◎ 余脉冲效应，即一次雪崩末端后，在归附时间由于残余电荷或载流子陷坑开释引发的二次误触发。

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

在设想SPAD时需对器件结构、电压适度和材料工艺进行抽象优化。举例剿袭深P-well结构或埋层可扼制热载流子表露，普及DCR幽静性。

Part 2

SPAD阵列架构与系统级集成旅途

跟着对高分辨率、高速探伤的需求增长，SPAD渐渐从单一像素器件向阵列结构彭胀，形成具备一定空间、时候分辨智商的探伤平台。这一进程中触及多个头绪的集成与协同设想。

SPAD阵列与像素级模块化设想

最常见的形态之一是硅光电倍增器（SiPM），由上百至上千个SPAD单位并联组成。

在大面积光照下，多个SPAD同期触发，输出电压与触发数类似成正比，形成类模拟信号。其优点在于高增益和高动态范围，粗俗应用于高能物理、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：用于累加一定时候窗口内的触发事件，反应局部光强。

◎ TDC（Time-to-Digital Converter）：记载每次事件发生的完全时候戳，用于遨游时候测距、三维成像等应用。

◎ 门控电路：用于时候窗搁置，普及信噪比，在配景噪声强或强光场景尤为弥留。

◎ 直方图生成模块：将TDC输出转为事件散布，有助于构建深度图。

◎ 一致性判别逻辑：在多个像素合并时刻发滋事件时提高触发有用性，常用于抗串扰设想。

跟着CMOS工艺的演进，3D堆叠成为冲破点之一。通过垂直集成探伤器阵列与信号处理电路，可将逻辑功能与像素单位分层布局，在有限面积内普及阵列密度与功能复杂度。

光学耦合与串扰护士

SPAD由于感光面积较小，为普及光应用率，常联结微透镜阵列，将外部光泽聚焦至SPAD敏锐区域，提高PDP。

此外，在阵列结构中，串扰是不成淡薄的问题。主要包括：

◎ 电气串扰：雪崩进程产生的电流脉冲可能耦合至左近电路，引发误触发。

◎ 光学串扰：雪崩中发出的次级光子可能干预左近像素，触发迥殊雪崩事件。

常见缓解活动包括：使用深沟槽隔断结构以物理阻断次级光子传播旅途，引入反射层或光学屏蔽层以裁减垂直或侧向串扰，通过多帧时候滤波或门控窗口以扼制异步误触发，以及在片上部署串扰检测逻辑并联结软件算法进行去噪处理。

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

尽管其暗计数率较高、职责温度要求更严格，但在光子寥落条目下具有不成替代的上风。为裁减老本，当今正在探索薄膜堆叠、局部退火等工艺优化旅途。

SPAD时刻正从早期实验室阶段走向工程化、系统化，时刻的中枢已不单是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想与优化。

上风在于具备高时候分辨率、低光强响应智商和极高的集成后劲，还是成为量子成像、Lidar传感和生物医学中的要津支点。

工程终了中的暗计数适度、串扰护士、集成范畴与功耗均衡依旧是制约其普及的弥留时刻壁垒。往时发展标的将聚焦于以下几方面：

◎ 鼓吹红外SPAD的产业化，提高探伤成果与老本适度智商；

◎ 深度集成TDC与片上逻辑，拓展至边际及时成像应用；

◎ 消弱像素尺寸，终了超高分辨率阵列；

◎ 构建3D集成结构，探索光电交融架构，面向新一代图像传感芯片。

小结

SPAD与其阵列的价值，正跟着先进感知的需求而抓续扩大手机网页版登录，在不休拓展的应用场景中有望成为推动新一代光电系统升级的中枢相沿时刻。

发布于：上海市