在激光雷達(dá)、量子通信、生物醫(yī)學(xué)成像等高精度光探測(cè)領(lǐng)域，接收陣列的性能直接決定了系統(tǒng)的信噪比、動(dòng)態(tài)范圍與時(shí)空分辨率。作為核心感光元件，雪崩光電二極管(APD)與單光子雪崩二極管(SPAD)的選型及噪聲抑制策略，成為突破技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵。本文從器件原理、性能對(duì)比、噪聲機(jī)制及工程實(shí)踐四個(gè)維度，系統(tǒng)解析高精度接收陣列的開(kāi)發(fā)要點(diǎn)。

一、APD與SPAD的核心機(jī)理與性能差異

1. APD：線性增益與寬動(dòng)態(tài)范圍

APD通過(guò)反向偏壓在耗盡區(qū)形成強(qiáng)電場(chǎng)，使光生載流子發(fā)生碰撞電離，形成鏈?zhǔn)窖┍佬?yīng)。其增益機(jī)制可用公式 M≈1?(V/BV)n1 描述，其中 V 為偏置電壓，BV 為擊穿電壓，n 為材料常數(shù)。典型InGaAs/InP APD在1550nm波段可實(shí)現(xiàn)50-500倍增益，響應(yīng)速度達(dá)納秒級(jí)，適用于光纖通信與中長(zhǎng)距激光雷達(dá)。

優(yōu)勢(shì)：線性增益特性使其可同時(shí)處理強(qiáng)光與弱光信號(hào)，動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)30dB;多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)(如InGaAs吸收層+InP倍增層)可抑制暗電流至1nA/cm2以下，提升信噪比。

局限：增益噪聲因子 F 隨增益 M 增大而升高，當(dāng) M>100 時(shí)，過(guò)量噪聲成為主導(dǎo)噪聲源;溫度波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致增益漂移，需精密溫控(如PID算法控制NTC熱敏電阻，實(shí)現(xiàn)0.1℃精度)。

2. SPAD：?jiǎn)喂庾屿`敏度與時(shí)間分辨率

SPAD工作在蓋革模式(反向偏壓超過(guò)擊穿電壓)，單個(gè)光子即可觸發(fā)雪崩，理論增益超 106。其核心參數(shù)包括光子探測(cè)效率(PDE)、暗計(jì)數(shù)率(DCR)、后脈沖概率與死區(qū)時(shí)間。例如，某款Si SPAD在532nm波段PDE達(dá)65%，DCR為100cps/mm2，死區(qū)時(shí)間40ns。

優(yōu)勢(shì)：皮秒級(jí)時(shí)間分辨率(如TCSPC技術(shù)中時(shí)間抖動(dòng)<50ps)使其成為dToF激光雷達(dá)與熒光壽命成像的首選;陣列化后(如128×128面陣)可實(shí)現(xiàn)高精度3D點(diǎn)云重建。

局限：像素微縮導(dǎo)致PDE衰減與DCR激增(如像素尺寸從50μm縮至10μm時(shí)，DCR可能上升10倍);后脈沖與光學(xué)串?dāng)_需通過(guò)深溝槽隔離(DTI)與保護(hù)環(huán)(GR)結(jié)構(gòu)抑制。

二、選型決策

1. 激光雷達(dá)系統(tǒng)中的選型邏輯

短距(<30m)高精度場(chǎng)景：優(yōu)先選用SPAD陣列。其單光子靈敏度與低死區(qū)時(shí)間可實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)測(cè)距精度，且對(duì)環(huán)境光抑制能力強(qiáng)。例如，自動(dòng)駕駛中的緊急制動(dòng)系統(tǒng)采用SPAD激光雷達(dá)，在100klux背景光下仍保持99.9%探測(cè)概率。

長(zhǎng)距(>200m)穿透場(chǎng)景：APD更具優(yōu)勢(shì)。其寬動(dòng)態(tài)范圍可應(yīng)對(duì)遠(yuǎn)距離返回信號(hào)的衰減，且對(duì)讀出電子噪聲的容忍度更高。某1550nm車載激光雷達(dá)采用APD接收陣列，在250m處實(shí)現(xiàn)10cm測(cè)距精度，誤碼率<10?12。

成本敏感型中距場(chǎng)景：SiPM(SPAD陣列的集成化版本)提供折中方案。其通過(guò)多像素并聯(lián)降低DCR，同時(shí)保持較高的光子探測(cè)效率。例如，某工業(yè)機(jī)器人用激光雷達(dá)采用2400像素SiPM，在50m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)5cm測(cè)距精度，成本較APD方案降低40%。

2. 生物醫(yī)學(xué)成像中的性能匹配

熒光壽命成像(FLIM)：需同時(shí)滿足高時(shí)間分辨率與低噪聲。SPAD的皮秒級(jí)時(shí)間抖動(dòng)與數(shù)字輸出特性，可精確測(cè)量熒光衰減時(shí)間(如納秒級(jí))，而APD因響應(yīng)速度限制難以勝任。

共聚焦顯微鏡：APD的線性增益與寬光譜響應(yīng)(如覆蓋400-1000nm)更適配多波長(zhǎng)激發(fā)場(chǎng)景，其多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)可抑制暗電流，提升弱信號(hào)檢測(cè)能力。

三、噪聲抑制

1. 器件級(jí)噪聲控制

APD的噪聲抑制：采用低溫工作(如-20℃)降低熱噪聲;通過(guò)動(dòng)態(tài)偏置電路補(bǔ)償溫度引起的增益漂移;優(yōu)化前置放大器設(shè)計(jì)(如三級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu))，將信噪比提升至10?Jones量級(jí)。

SPAD的噪聲抑制：引入深溝槽隔離(DTI)結(jié)構(gòu)降低光學(xué)串?dāng)_，通過(guò)折射率匹配層(如填充二氧化硅)將串?dāng)_抑制至-30dB;采用電荷聚焦型SPAD結(jié)構(gòu)，平衡有效吸收層面積與PDE，提升光子探測(cè)效率。

2. 系統(tǒng)級(jí)噪聲管理

電源與地平面設(shè)計(jì)：在PCBA中采用多層板結(jié)構(gòu)，將驅(qū)動(dòng)電源與ADC電源通過(guò)獨(dú)立層隔離，中間以接地層屏蔽;使用LDO穩(wěn)壓器搭配10μF鉭電容與0.1μF陶瓷電容進(jìn)行高頻濾波，降低電源紋波對(duì)探測(cè)器的影響。

信號(hào)鏈濾波：在ADC輸入前端設(shè)計(jì)2階RC濾波器(如R=100Ω，C=10nF)，截止頻率設(shè)定為信號(hào)帶寬的2-3倍，濾除驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的高頻噪聲;對(duì)于SPAD陣列，采用差分放大器抑制共模噪聲，提升信噪比。

布局布線優(yōu)化：將噪聲源(如電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊)與敏感元件(如APD/SPAD陣列)隔離至少10mm，中間以接地銅箔或金屬屏蔽罩隔離;模擬信號(hào)線采用差分傳輸，等長(zhǎng)、平行走線(間距≤3倍線寬)，兩側(cè)鋪設(shè)接地保護(hù)線。

工程實(shí)踐

1. 可靠性驗(yàn)證

APD的長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試：在40℃至85℃溫循中驗(yàn)證增益波動(dòng)<2%，100krad(Si)輻射劑量下保持95%響應(yīng)度;通過(guò)JESD22A108標(biāo)準(zhǔn)HTGB測(cè)試，確保器件在高溫高濕環(huán)境下無(wú)失效。

SPAD的量產(chǎn)一致性控制：采用SEM晶格分析檢測(cè)界面缺陷，結(jié)合ISO 13818-1眼圖測(cè)試驗(yàn)證信號(hào)質(zhì)量;通過(guò)AOI視覺(jué)對(duì)位系統(tǒng)確保元件值與位號(hào)一一對(duì)應(yīng)，避免因元件錯(cuò)貼導(dǎo)致的基準(zhǔn)電壓漂移。

2. 成本與集成度平衡

APD的集成化趨勢(shì)：1280面陣規(guī)模非制冷型APD探測(cè)器成為研發(fā)熱點(diǎn)，通過(guò)晶圓級(jí)封裝(WLP)技術(shù)將單個(gè)探測(cè)器成本降低至$5以下，同時(shí)保持90%以上填充因子。

SPAD的3D堆疊技術(shù)：將主動(dòng)淬滅電路與SPAD像素進(jìn)行三維堆疊，減少寄生電容，提升時(shí)間分辨率;采用背照式(BSI)結(jié)構(gòu)與疊層優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)包裹式隔離，降低光學(xué)串?dāng)_。

隨著GaN器件的普及，APD的開(kāi)關(guān)頻率可突破1MHz，使65W適配器體積縮小至信用卡大小;而SPAD與量子點(diǎn)材料的結(jié)合，可拓展其紅外響應(yīng)波段至2μm以上，滿足自動(dòng)駕駛夜間感知需求。在數(shù)字化控制領(lǐng)域，UCD3138數(shù)字控制器通過(guò)自適應(yīng)PID算法，實(shí)現(xiàn)APD偏置電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，將線性度誤差控制在0.5%以內(nèi)。

高精度接收陣列的開(kāi)發(fā)，本質(zhì)上是器件物理極限與系統(tǒng)工程優(yōu)化的博弈。APD與SPAD的選型需緊扣應(yīng)用場(chǎng)景的核心需求，而噪聲抑制策略則需貫穿器件設(shè)計(jì)、電路布局到系統(tǒng)集成的全流程。唯有如此，方能在光子探測(cè)的“納米戰(zhàn)場(chǎng)”中，實(shí)現(xiàn)精度與可靠性的雙重突破。