在激光雷達、量子通信、生物醫(yī)學(xué)成像等高精度光探測領(lǐng)域，接收陣列的性能直接決定了系統(tǒng)的信噪比、動態(tài)范圍與時空分辨率。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、性能對比、噪聲機制及工程實踐四個維度，系統(tǒng)解析高精度接收陣列的開發(fā)要點。

一、APD與SPAD的核心機理與性能差異

1. APD：線性增益與寬動態(tài)范圍

APD通過反向偏壓在耗盡區(qū)形成強電場，使光生載流子發(fā)生碰撞電離，形成鏈式雪崩效應(yīng)。其增益機制可用公式 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波段可實現(xiàn)50-500倍增益，響應(yīng)速度達納秒級，適用于光纖通信與中長距激光雷達。

優(yōu)勢：線性增益特性使其可同時處理強光與弱光信號，動態(tài)范圍超過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，過量噪聲成為主導(dǎo)噪聲源;溫度波動會導(dǎo)致增益漂移，需精密溫控(如PID算法控制NTC熱敏電阻，實現(xiàn)0.1℃精度)。

2. SPAD：單光子靈敏度與時間分辨率

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

優(yōu)勢：皮秒級時間分辨率(如TCSPC技術(shù)中時間抖動<50ps)使其成為dToF激光雷達與熒光壽命成像的首選;陣列化后(如128×128面陣)可實現(xiàn)高精度3D點云重建。

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，DCR可能上升10倍);后脈沖與光學(xué)串?dāng)_需通過深溝槽隔離(DTI)與保護環(huán)(GR)結(jié)構(gòu)抑制。

二、選型決策

1. 激光雷達系統(tǒng)中的選型邏輯

短距(<30m)高精度場景：優(yōu)先選用SPAD陣列。其單光子靈敏度與低死區(qū)時間可實現(xiàn)毫米級測距精度，且對環(huán)境光抑制能力強。例如，自動駕駛中的緊急制動系統(tǒng)采用SPAD激光雷達，在100klux背景光下仍保持99.9%探測概率。

長距(>200m)穿透場景：APD更具優(yōu)勢。其寬動態(tài)范圍可應(yīng)對遠距離返回信號的衰減，且對讀出電子噪聲的容忍度更高。某1550nm車載激光雷達采用APD接收陣列，在250m處實現(xiàn)10cm測距精度，誤碼率<10?12。

成本敏感型中距場景：SiPM(SPAD陣列的集成化版本)提供折中方案。其通過多像素并聯(lián)降低DCR，同時保持較高的光子探測效率。例如，某工業(yè)機器人用激光雷達采用2400像素SiPM，在50m范圍內(nèi)實現(xiàn)5cm測距精度，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)：需同時滿足高時間分辨率與低噪聲。SPAD的皮秒級時間抖動與數(shù)字輸出特性，可精確測量熒光衰減時間(如納秒級)，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)更適配多波長激發(fā)場景，其多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)可抑制暗電流，提升弱信號檢測能力。

三、噪聲抑制

1. 器件級噪聲控制

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

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，提升光子探測效率。

2. 系統(tǒng)級噪聲管理

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

信號鏈濾波：在ADC輸入前端設(shè)計2階RC濾波器(如R=100Ω，C=10nF)，截止頻率設(shè)定為信號帶寬的2-3倍，濾除驅(qū)動電路產(chǎn)生的高頻噪聲;對于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(如電機驅(qū)動模塊)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;模擬信號線采用差分傳輸，等長、平行走線(間距≤3倍線寬)，兩側(cè)鋪設(shè)接地保護線。

工程實踐

1. 可靠性驗證

APD的長期穩(wěn)定性測試：在40℃至85℃溫循中驗證增益波動<2%，100krad(Si)輻射劑量下保持95%響應(yīng)度;通過JESD22A108標準HTGB測試，確保器件在高溫高濕環(huán)境下無失效。

SPAD的量產(chǎn)一致性控制：采用SEM晶格分析檢測界面缺陷，結(jié)合ISO 13818-1眼圖測試驗證信號質(zhì)量;通過AOI視覺對位系統(tǒng)確保元件值與位號一一對應(yīng)，避免因元件錯貼導(dǎo)致的基準電壓漂移。

2. 成本與集成度平衡

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

SPAD的3D堆疊技術(shù)：將主動淬滅電路與SPAD像素進行三維堆疊，減少寄生電容，提升時間分辨率;采用背照式(BSI)結(jié)構(gòu)與疊層優(yōu)化設(shè)計，實現(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)字控制器通過自適應(yīng)PID算法，實現(xiàn)APD偏置電壓的動態(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)用場景的核心需求，而噪聲抑制策略則需貫穿器件設(shè)計、電路布局到系統(tǒng)集成的全流程。唯有如此，方能在光子探測的“納米戰(zhàn)場”中，實現(xiàn)精度與可靠性的雙重突破。