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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本質上是一種工作在反向偏置狀態(tài)的特殊P-N結，如圖1所示。P-N結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，被廣泛應用于激光雷達，量子通信，目標探測，熒光光譜分析等領域。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

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I-V曲線找到SPAD預期電流增益對應的偏置電壓，將該電壓設置為器件的工作電壓Vop（Vop = Vbd+Vex）。在SPAD工作溫度范圍內進行不同溫度下的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，暗計數率，指的是在無光照條件下，SPAD因內部熱發(fā)射或隧穿產生的電子空穴對觸發(fā)雪崩，在單位時間內輸出的脈沖數。

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。根據示波器檢測到的一定時間范圍內的暗計數計算單位時間內的暗計數，即為暗計數率DCR。

計算公式如下：

Nsum-dark : 無光輸入時，檢測的總的脈沖個數

Nafterpulse : 后脈沖個數

PDE：Photon-Detection-Efficiency，光子探測效率，SPAD輸出的有效脈沖數（觸發(fā)光子數）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SPAD上接收到的光子數量；根據示波器檢測到的一定時間范圍內的脈沖計數減去暗計數減去后脈沖數，可以計算出單位時間內光子觸發(fā)數；用單位時間內光子觸發(fā)數除以單位時間內SPAD上接收到的光子數即為光子探測效率PDE。

計算公式如下：

Nafterpulse : 后脈沖個數

Nin：測試時間內平均進入SPAD 器件的光子數

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；根據示波器檢測到的多次后脈沖個數計算平均后脈沖數。

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