2. SPAD器件物理基础
SPAD（Single-Photon Avalanche Diode，单光子雪崩二极管）之所以能探测单个光子，根源在于半导体内部三个层层递进的物理过程：光子被吸收产生电子—空穴对、载流子在强电场中获得足够动能触发碰撞电离、雪崩倍增形成可测量的宏观电流。理解这条物理链，是后续设计偏置电路、淬灭电路和温度补偿的前提。
一、半导体光电效应：从光子到载流子
当入射光子能量 hν 大于半导体禁带宽度 Eg 时，价带电子被激发到导带，产生一个电子—空穴对。硅的 Eg≈1.12 eV（室温），对应截止波长约 1100 nm，因此硅 SPAD 在 400～1000 nm 波段响应良好，峰值量子效率通常出现在 600～800 nm。
光子吸收遵循指数衰减规律，吸收深度与波长强相关：蓝光（450 nm）吸收深度约 0.2～0.5 μm，红光（650 nm）约 3～5 μm，近红外（850 nm）可达 10～20 μm。这意味着器件结构必须与目标波长匹配——探测蓝光需要浅结，探测近红外则需要更厚的吸收区。此外，硅中每个光子最多产生一个电子—空穴对，量子效率上限受反射、复合和吸收深度共同限制，实际器件通过抗反射膜和浅结工艺把峰值 PDE 提升到 50%～70%。
二、雪崩倍增机制：碰撞电离与倍增因子
光生载流子进入高电场区后，在两次碰撞之间获得动能。当电场强度达到约 3×105 V/cm 时，载流子动能足以通过碰撞电离产生新的电子—空穴对，新产生的载流子又被加速、再碰撞电离，形成链式倍增。这一过程用倍增因子 M 描述：
M = 1 / [1 − (V_R / V_B)^n]其中 VR 为反向偏压，VB 为击穿电压，n 为与材料、掺杂分布相关的经验指数（硅中通常 3～6）。当 VR 趋近 VB 时，M 急剧增大并趋于无穷，这正是盖革模式的工作点。
三、盖革模式与线性模式的区别
线性模式（Linear Mode）下，偏压略低于击穿电压（VR < VB），倍增因子有限（通常 10～1000），输出电流与入射光功率近似成正比，可用于模拟光强测量，但无法分辨单光子。盖革模式（Geiger Mode）下，偏压高于击穿电压（VR > VB），增益可达 105～106，单个光子即可触发自持雪崩，输出毫安级脉冲，便于数字计数。但雪崩一旦触发便无法自行停止，必须依靠淬灭电路将偏压拉低到击穿电压以下，才能恢复下一个探测周期。
四、击穿电压与温度特性
击穿电压 VB 是 SPAD 最关键的参数之一，它由耗尽区电场分布决定，而电场分布又受掺杂浓度和温度影响。温度升高时，晶格振动增强，载流子平均自由程缩短，需要更高的电场才能达到碰撞电离阈值，因此 VB 随温度升高而增大。硅 SPAD 的温度系数典型值为 0.1～0.5 V/°C，具体数值取决于器件结构和过偏压大小。
这一特性带来两个实际影响：第一，若偏压固定，温度漂移会改变过偏压 Vov = VR − VB，进而影响探测效率（PDE）和暗计数率（DCR）。温度每升高 10°C，DCR 大约翻倍，而 PDE 可能下降几个百分点。第二，为了保持恒定的过偏压，需要温度补偿电路，常见做法是用温度传感器（如热敏电阻或片上二极管）实时测量结温，通过查表或线性拟合调整偏置电压。
五、关键参数速查与设计取舍
| 参数 | 线性模式 | 盖革模式 | 设计影响 |
|---|---|---|---|
| 偏置条件 | V_R < V_B | V_R > V_B | 决定增益与噪声 |
| 典型增益 | 10～1000 | 10⁵～10⁶ | 盖革模式可单光子计数 |
| 输出形式 | 模拟电流 | 数字脉冲 | 决定后端电路架构 |
| 温度系数 | 较小 | 0.1～0.5 V/°C | 需温度补偿 |
| 淬灭需求 | 无需 | 必须 | 被动/主动淬灭电路 |
实际选型时，若目标是光子计数、荧光寿命测量或激光雷达，应选择盖革模式并配套主动淬灭电路；若目标是光功率监测或模拟光通信，线性模式更合适。无论哪种模式，都必须把击穿电压的温度漂移纳入系统设计，否则在户外或宽温环境中，探测性能会随温度剧烈波动。