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激光雷达SPAD探测器芯片技术.docx
资料介绍
激光雷达SPAD探测器芯片技术
一、引言
SPAD单光子雪崩二极管是固态激光雷达接收端的核心器件。它以单光子级别的灵敏度接收从目标反射回来的微弱激光信号，使激光雷达能够在远距离低反射率目标上维持可靠的探测能力。SPAD的工作模式使其在同等光学接收口径下比传统线性APD具有更高的信噪比和灵敏度。SPAD芯片技术的进步——像素规模扩大、填充因子提升、暗计数率降低——直接驱动着全固态Flash激光雷达的分辨率和性价比跃升。
二、SPAD的物理机理与工作模式
SPAD在普通PN结二极管上施加高于击穿电压的反向偏压处于"盖革模式"——耗尽区的电场强度极高单个光子被吸收后产生的电子空穴对会在强电场作用下加速与晶格碰撞产生雪崩倍增效应。雪崩一旦被触发就会自我维持并产生一个可被前端电路检测到的大幅电流脉冲。SPAD从吸收光子到产生电流脉冲的整个过程在皮秒至纳秒级时间尺度内完成。
淬灭与复位是SPAD工作的关键机制——雪崩发生后必须通过淬灭电路将偏压降至击穿电压以下使雪崩终止，然后再将偏压恢复到击穿电压以上使SPAD重新进入盖革模式等待下一个光子。被动淬灭通过串联一个大电阻使雪崩电流流过时在电阻上产生压降自动降低SPAD两端偏压，电路简单但恢复时间较长。主动淬灭通过专用MOSFET开关以纳秒级速度强制降低偏压——淬灭速度快、恢复时间短，适合高频率重复测量的应用。
暗计数率。 即使在完全无光照的条件下SPAD也会因热噪声和隧穿效应产生虚假的雪崩脉冲。暗计数率随温度的升高而显著增大——温度每升高约10°C暗计数率约翻倍。车载激光雷达的工作温度范围从-40°C到85°C——SPAD芯片需要在全温度范围内保持暗计数率在可接受水平。通过优化SPAD的掺杂浓度分布和采用保护环结构来降低隧穿电流是降低暗计数率的主要技术路径。
光子探测效率。 PDE衡量SPAD在接收到光子时产生可检测雪崩的概率，取决于SPAD的量子效率和雪崩触发概率。量子效率与波长相关——硅基SPAD在905纳米波段的PDE约为10%至20%，在可见光波段可超过40%。InGaAs SPAD在1550纳米波段的PDE约为10%至15%。PDE的提升直接改善了激光雷达在弱信号条件下的探测能力。
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