单光子雪崩二极管（SPAD）：原理、极高增益机制与微光探测解析

news2026/3/27 11:46:08

摘要单光子雪崩二极管（Single-Photon Avalanche Diode, SPAD）是当前量子通信、激光雷达（LiDAR）、生物荧光成像及弱光探测领域的核心器件。其最显著的特征在于能够探测单个光子级别的极微弱光信号。本文将从器件物理层面深入剖析SPAD如何通过工作在“盖革模式”（Geiger Mode）下的碰撞离化效应，实现高达量级的内部电流增益，并阐述其实现微光环境下稳定运作的关键机制。1. SPAD 的基础结构与偏置状态SPAD本质上是一种特殊的p-n结光电二极管。为了实现极弱光探测，其偏置状态严格限定在盖革模式。结构特点：通常采用“p+ - 轻掺杂n型 - n+”的垂直结构（或称为“吸收-倍增”分离结构），以优化电场分布。偏置机制：SPAD的反向偏置电压被设置得远高于器件的击穿电压。此时，结区内部分布着极高的电场强度（通常大于 V/cm）。定义：被称为“过偏压”（Excess Bias Voltage）。正是这个过偏压，决定了SPAD的增益强度、探测效率与时间响应特性。2. 极高增益的实现机理：碰撞离化与雪崩倍增传统光电二极管（如PIN）的增益通常小于1（或通过APD实现几十到几百倍的线性增益），而SPAD的增益可达至。这种极高的增益来源于碰撞离化引发的连锁反应。

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