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介紹SPAD之前，我們先來看看什么是APD？APD，全拼為Avalanche Photon Diode，即雪崩光電二極管，是一種光電探測器件。從器件層面描述，APD本質(zhì)上是一種工作在反向偏置狀態(tài)的特殊P-N結(jié)，如圖1所示。P-N結(jié)附近的強電場使得帶負電的電子被吸引在N區(qū)，帶正電的空穴則被吸引在P區(qū)，并在 P-N 結(jié)交界處形成了耗盡層。在未加反向偏壓的狀態(tài)下，耗盡層中僅有固定在硅（Si）晶格上的正負摻雜離子和 Si 原子，無自由移動的載流子。當在P-N結(jié)兩端加反向偏壓時，隨著反向偏壓增大，耗盡層中的電場強度和光電流增益就越大。當反向偏壓超過 P-N 結(jié)反向擊穿電壓 Vbd時，稱APD工作在蓋革模式，此時僅需單個光子就可以觸發(fā)雪崩，所以工作在蓋革模式的APD，又稱為 SPAD，如圖2所示。一般而言，APD 的典型增益是10-100倍，SPAD理論上增益可達到APD的100萬倍以上。

SPAD，Single Avalanche Photon Diode，單光子雪崩二極管，顧名思義可以探測單個光子，具有高感光靈敏度、高信噪比和皮秒級動態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點，尤其在弱光信號的探測方面，具有APD不可比擬的優(yōu)勢。因此，被廣泛應(yīng)用于激光雷達，量子通信，目標探測，熒光光譜分析等領(lǐng)域。那么如何定量的去評價一個SPAD器件的好壞？

圖1（左） 工作在反向偏置狀態(tài)的P-N結(jié)

圖2（右） APD/SPAD I-V圖

SPAD性能指標測試

圖3 SPAD性能指標測試流程

Vbd：SPAD反向擊穿電壓。

在暗場環(huán)境下，用半導(dǎo)體特性分析儀在室溫下測試SPAD的I-V特性，確定SPAD器件的實際擊穿電壓Vbd，并根據(jù)I-V曲線找到SPAD預(yù)期電流增益對應(yīng)的偏置電壓，將該電壓設(shè)置為器件的工作電壓Vop（Vop = Vbd+Vex）。在SPAD工作溫度范圍內(nèi)進行不同溫度下的I-V特性測試，標定不同溫度下器件的擊穿電壓Vbd和參考工作電壓Vop。

DCR：Dark-Count-Rate，暗計數(shù)率，指的是在無光照條件下，SPAD因內(nèi)部熱發(fā)射或隧穿產(chǎn)生的電子空穴對觸發(fā)雪崩，在單位時間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)。

在暗場環(huán)境下，使SPAD工作在Vop電壓下，用示波器捕捉SPAD陰極輸出脈沖波形，檢測器件的暗計數(shù)。根據(jù)示波器檢測到的一定時間范圍內(nèi)的暗計數(shù)計算單位時間內(nèi)的暗計數(shù)，即為暗計數(shù)率DCR。

計算公式如下：

Nsum-dark : 無光輸入時，檢測的總的脈沖個數(shù)

Nafterpulse : 后脈沖個數(shù)

PDE：Photon-Detection-Efficiency，光子探測效率，SPAD輸出的有效脈沖數(shù)（觸發(fā)光子數(shù)）與入射光子的比值。

在均勻光或脈沖光條件下，使SPAD工作在Vop電壓下，測試SPAD上接收的光功率；SPAD上接收到的光功率除以單個光子的能量即為單位時間內(nèi)SPAD上接收到的光子數(shù)量；根據(jù)示波器檢測到的一定時間范圍內(nèi)的脈沖計數(shù)減去暗計數(shù)減去后脈沖數(shù)，可以計算出單位時間內(nèi)光子觸發(fā)數(shù)；用單位時間內(nèi)光子觸發(fā)數(shù)除以單位時間內(nèi)SPAD上接收到的光子數(shù)即為光子探測效率PDE。

計算公式如下：

Nafterpulse : 后脈沖個數(shù)

Nin：測試時間內(nèi)平均進入SPAD 器件的光子數(shù)

t : 測試時間

I：光功率密度

SSPAD：SPAD感光面積

λ/hc : 單個光子能量

Dead-time：死區(qū)時間，SPAD不能進行光子探測的時間。

在均勻光或脈沖光條件下，使SPAD工作在Vop電壓下，用示波器捕捉SPAD陰極輸出脈沖波形，測量器件的死區(qū)時間。淬滅時間與復(fù)位時間之和即為死區(qū)時間，Tdead= Tquench+ Treset，如圖4所示。

圖4  SPAD陰極輸出脈沖波形死區(qū)時間示意圖

AfterPulse：后脈沖，SPAD雪崩淬滅后恢復(fù)下一次可探測狀態(tài)前，陷阱能級中的電子被釋放觸發(fā)二次雪崩，如圖5所示。

在均勻光或脈沖光條件下，使SPAD工作在Vop電壓下，用示波器捕捉SPAD陰極輸出脈沖波形，檢測器件的后脈沖數(shù)；根據(jù)示波器檢測到的多次后脈沖個數(shù)計算平均后脈沖數(shù)。

圖5 后脈沖示意圖

Jitter：時間抖動，光子從發(fā)射至SPAD輸出光觸發(fā)脈沖波形的時間分布的標準差，如圖6所示。

在脈沖光條件下，使SPAD工作在Vop電壓下，用示波器捕捉SPAD陰極輸出脈沖波形，測量SPAD陰極輸出脈沖的抖動寬度。

圖6  Jitter示意圖