3. SPAD器件物理基础
在ToF接收链路中，SPAD（Single-Photon Avalanche Diode，单光子雪崩二极管）是把“一个光子”转换成“一个可测电脉冲”的核心器件。理解SPAD，不能只把它当作普通光电二极管，而要抓住它工作在反向偏压超过击穿电压的特殊状态：此时耗尽区电场极高，单个载流子就可能触发雪崩，形成宏观电流脉冲。也正因为如此，SPAD同时具备单光子灵敏度与一系列工程约束，包括光子探测效率、暗计数率、死时间、后脉冲和串扰等。
一、雪崩击穿与盖革模式：从线性到非线性
普通PIN光电二极管工作在反向偏压低于击穿电压的区域，光生载流子在电场中漂移形成与光功率近似成正比的光电流，属于线性模式。SPAD则把偏压设置在击穿电压VBD之上，过偏压VEX = VBIAS − VBD通常为几伏到十几伏。此时耗尽区电场足以让载流子通过碰撞电离不断产生新的电子-空穴对，形成正反馈雪崩。
当偏压高于击穿电压时，器件进入盖革模式：雪崩一旦被触发，就会自持增长，直到外部电路把电流限制住。为了探测下一个光子，必须通过淬灭电路把偏压降到击穿电压以下，使雪崩熄灭，再重新充电恢复到盖革模式。这个“触发—淬灭—复位”的循环，决定了SPAD的计数速率和死时间。
二、单光子探测与光子探测效率PDE
SPAD的单光子探测能力来自“雪崩触发概率”。一个光子被吸收后产生一个电子-空穴对，这个载流子能否触发雪崩，取决于它是否进入高场雪崩区、以及触发概率。工程上用光子探测效率PDE描述“入射一个光子，产生一个可测脉冲”的概率：
PDE(λ, V_EX) = η_abs(λ) × P_trigger(V_EX) × P_quench
其中：
η_abs 吸收效率，与波长、结深、材料有关
P_trigger 触发概率，随过偏压升高而增大
P_quench 淬灭电路有效输出概率PDE不是常数，它随波长和过偏压变化。在近红外波段（如850 nm、905 nm、940 nm），硅的吸收系数下降，PDE通常低于可见光波段。因此ToF系统常通过提高过偏压、优化结深或采用背照式结构来提升红外PDE，但代价是暗计数和后脉冲增加。
三、暗计数率DCR与死时间
即使没有光，SPAD也会因热激发、隧穿效应或缺陷能级产生载流子，触发雪崩，形成暗计数率DCR。DCR是ToF接收机的本底噪声来源之一，会直接抬高时间相关单光子计数（TCSPC）直方图的底噪，降低弱信号的信噪比。
死时间则决定了SPAD在触发后多久才能再次响应。死时间越长，可探测的光子速率上限越低；在强回波或近距离场景中，死时间会造成计数饱和与非线性，使测距出现偏差。常见参数关系如下表：
| 参数 | 物理含义 | 对ToF的影响 | 工程调节方向 |
|---|---|---|---|
| 击穿电压 V_BD | 雪崩自持的临界偏压 | 决定工作点与温度漂移 | 温度补偿、恒过偏压控制 |
| 过偏压 V_EX | V_BIAS − V_BD | 提高PDE，也提高DCR与串扰 | 按信噪比折中选取 |
| PDE | 光子转为脉冲的概率 | 决定灵敏度与测距距离 | 优化波长、结深、增透膜 |
| DCR | 无光条件下的暗脉冲率 | 抬高底噪，增加误触发 | 降温、降低缺陷、筛选器件 |
| 死时间 | 触发后不可探测的时间 | 限制最大计数率，造成饱和 | 主动淬灭、缩短复位时间 |
四、案例与场景：905 nm ToF接收前端
假设一个905 nm激光雷达接收前端采用硅SPAD，过偏压设为3 V，PDE约8%，DCR约500 cps，死时间约20 ns。若回波光子率很低，每个脉冲周期最多收到0.1个光子，则死时间影响可忽略，系统主要受DCR限制；若目标很近、回波很强，光子率超过1/20 ns = 50 Mcps，SPAD就会饱和，TCSPC直方图出现“早峰堆积”，测距值偏近。
五、常见误区与复盘
- 误区一：把SPAD当线性探测器。SPAD输出是离散脉冲，脉冲幅度不反映光强，光强信息要靠计数率或时间统计获得。
- 误区二：忽略温度对V_BD的影响。硅SPAD的击穿电压随温度升高而增大，若不补偿，过偏压会漂移，PDE和DCR都会变化。
- 误区三：只看PDE不看死时间。强回波下死时间导致计数饱和，测距线性度变差，必须结合淬灭电路和计数率校正。
- 误区四：把DCR当作固定值。DCR对过偏压和温度非常敏感，标定条件不同，数据不可直接比较。