2. SPAD工作物理与关键效应
要真正理解SPAD的选型与测试，必须把器件参数和背后的物理过程对应起来。SPAD（单光子雪崩二极管）本质上是一个工作在击穿点之上的PN结：当反向偏压超过击穿电压时，耗尽区内的电场强到足以让单个载流子触发碰撞电离，形成自持的雪崩电流。这一节我们沿着“偏压—增益—效率—噪声—恢复”这条主线，把盖革模式、击穿电压、过偏压、探测效率、暗计数、后脉冲和死时间串成一个因果链。
盖革模式与雪崩倍增
普通光电二极管工作在低于击穿电压的线性区，光生载流子被电场收集形成与光功率成正比的光电流，增益为1。SPAD则被偏置在击穿电压之上，进入所谓的盖革模式。此时耗尽区电场可达3×10⁵ V/cm量级，一个进入高场区的载流子在一次自由程内获得足够动能，通过碰撞电离产生电子—空穴对；新产生的载流子又被加速、再电离，形成链式倍增。由于倍增系数趋于无穷，任何一次触发都会产生宏观可测的电流脉冲，这正是SPAD能探测单光子的原因。
但盖革模式是“一次性”的：雪崩一旦建立，必须由外部电路主动淬灭，把偏压拉回到击穿电压以下，才能等待下一个光子。因此SPAD的典型工作循环是“触发—雪崩—淬灭—复位—再触发”，这个循环的时间尺度直接决定了死时间和最大计数率。
击穿电压与过偏压
击穿电压 VBD 是使耗尽区电场达到临界值、雪崩倍增系数趋于无穷时的反向偏压。它与温度强相关：温度每升高约1℃，VBD 上升约几十毫伏（硅器件典型值约20～30 mV/℃），因为晶格散射增强、载流子平均自由程缩短。过偏压定义为 Vov = Vbias − VBD，它决定了雪崩触发的概率和雪崩电流的上升速度。
过偏压是SPAD最重要的可调参数之一，它同时影响多个指标：Vov 增大，光子探测效率（PDE）上升、时间抖动减小，但暗计数率、后脉冲概率和串扰也随之上升。工程上常在“效率—噪声”之间取折中，典型硅SPAD的 Vov 取2～5 V。测试时通常先通过I-V曲线或计数率—偏压曲线确定 VBD，再设定固定的过偏压工作点。
光子探测效率的波长依赖与物理极限
PDE = η吸收 × η触发 × η填充，其中吸收效率取决于硅在对应波长的吸收系数和耗尽区厚度。硅的吸收长度随波长急剧变化：在400 nm附近吸收长度仅约0.1 μm，在900 nm附近则长达数十微米。因此短波光子主要在表面附近被吸收，若耗尽区不够浅，载流子来不及扩散进入高场区就复合了；长波光子则需要足够厚的吸收区才能被有效吸收。
这带来一个物理极限：硅的带隙约1.12 eV，对应截止波长约1100 nm，超过这个波长光子能量不足以产生电子—空穴对，PDE迅速跌至零。同时，短波端受表面复合和死层限制，长波端受吸收深度和带隙限制，PDE在可见光到近红外呈现先升后降的钟形曲线，峰值通常在500～700 nm。选型时必须把工作波长与器件PDE曲线对齐，而不是只看峰值效率。
暗计数与后脉冲的成因
即使完全无光，SPAD也会输出计数，这就是暗计数。其来源包括：热激发产生的载流子（随温度指数增长）、耗尽区内的产生—复合中心、以及隧穿效应（过偏压较高时带间隧穿增强）。暗计数率（DCR）是选型的核心噪声指标，典型硅SPAD在室温下为每秒几十到几千个计数，制冷到−20℃可下降一到两个数量级。
后脉冲则是SPAD特有的噪声机制：雪崩过程中大量载流子被陷阱能级俘获，淬灭后这些载流子被热激发释放，在偏压已恢复的情况下再次触发雪崩，形成一个“假计数”。后脉冲概率随过偏压和死时间变化——死时间越短，陷阱来不及释放，后脉冲越容易落在下一个门内。因此后脉冲与死时间是一对需要联合优化的参数。
死时间与恢复过程
死时间指SPAD从一次雪崩触发到重新具备探测能力所需的时间。被动淬灭电路中，雪崩电流在淬灭电阻上产生压降，把偏压拉低到 VBD 以下使雪崩熄灭，随后通过复位电阻给结电容充电，偏压逐渐恢复到工作点。恢复过程是指数式的，时间常数由结电容和复位电阻决定。在恢复未完成时，过偏压不足，PDE偏低、时间抖动变大，因此有效死时间往往比“雪崩熄灭”时刻更长。
主动淬灭电路则通过反馈快速检测雪崩并主动拉低偏压，再快速复位，可把死时间压缩到几十纳秒，适合高计数率应用。选型时要区分“淬灭时间”和“恢复时间”，并结合最大计数率要求核算：若死时间为50 ns，理论上限约20 Mcps，实际因后脉冲和恢复不充分通常只能达到其几分之一。
把上述关系落到测试上：先测I-V曲线确定 VBD 与温度系数，再在固定 Vov 下用标准光源测PDE随波长的曲线，用暗箱测DCR随温度和过偏压的变化，用双脉冲法或延迟扫描测后脉冲概率与死时间。每一个参数都不是孤立的数字，而是这条物理因果链上的一个观测窗口。