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无人驾驶■SPAD会成为未来激光雷达的光电探测标配吗？( 二 )


讨论这些复杂的折衷处理方式已经超出了本文范围 。 我们将聚焦于一种最近才用于ToF激光雷达的新型光电探测器——单光子雪崩光电二极管（SPAD） 。
SPAD的结构与APD类似 。 两者都有PN结 ， 在高电场区因为碰撞电离而发生载流子倍增或雪崩 。 将电子或空穴注入高电场区 ， 可以触发雪崩 。 在注入之前 ， 电子空穴对由光子吸收、热噪声或隧穿引发 ， 后两者是暗计数的来源 。
雪崩机制
APD和SPAD的主要区别在于雪崩或放电特性 。 SPAD的反向偏置电压VBIAS超过击穿电压VBD 。 时就会引发盖革模式 。 一旦触发 ， 施加在SPAD的VBIAS不变 ， 雪崩持续进行 ， 产生无限的增益 ， 即一个光子引起连续的电流 。 相比之下 ， 施加于线性模式APD的VBIAS低于VBD 。 放电一旦开始 ， 就会迅速自淬灭 ， 从而产生有限的电流 ， 因此 ， APD的增益是有限的 。
如上所述 ， 单个入射光子可以激活SPAD ， 从而产生持续的电流 。 实际上 ， 光子已将SPAD从截止状态切换为开启状态 ， 或者说是从光敏状态切换为对光不敏感的状态（正在进行放电的SPAD不再对光敏感） 。 这时相当于光开关 ， 但未来要探测到下一个入射光子 ， 有必要通过增加电阻实现猝灭 ， 再次将SPAD重新设置为截止或光敏状态（见图3） 。
无人驾驶■SPAD会成为未来激光雷达的光电探测标配吗？
本文插图
图3：左图为SPAD与猝灭电阻串联的偏置电路 。 右上图是IV特性图 ， 解释了SPAD的工作原理 ， 右下图显示了电阻的电压随时间的变化情况 。
图3的左图显示了与电阻R串联的反向偏置SPAD 。 SPAD处于截止状态：没有电流流过 ， SPAD两端的电压为VBIAS 。 SPAD处于亚稳定的光敏状态 。 IV特性曲线（右上图）上的红点表示此状态 。 由于没有电流流过 ， 所以电阻上的电压VR = 0 。
假设SPAD吸收了一个光子 ， 并在tA触发了盖革模式的放电（见图3的右下图） 。 电子开始流动 ， 电流迅速增加 。 根据基尔霍夫电压定律 ， 随着电流增加 ， 电阻两端的电压也增加 ， 而SPAD两端的电压会下降 。
一旦SPAD电压下降至0~VBD ， PN结上的电场不再持续激发碰撞电离 ， 雪崩停止 。 当VR达到峰值时发生猝灭 。 随后 ， SPAD进入恢复阶段：电流减小 ， SPAD上的电压增加到VBIAS；SPAD再次恢复光敏状态 。
图3右下图中的电压波形实际上是对单个光子（或暗事件）的相应输出 。 波形不对称 ， 其特点是上升时间非常短（约1-2ns） ， 下降时间相对较长（约数十至数百纳秒） 。
结电容
下降时间会影响恢复时间 ， 这取决于SPAD的结电容CJ和猝灭电阻R 。 恢复期间 ， SPAD对光不敏感* ， 恢复的持续时间称为SPAD的死区时间 。 曲线下的面积（用电子表示）是增益 。 令人惊讶的是 ， 增益不取决于R ， 而与CJ（VBIAS - VBD）成线性关系 ， 其中括号中的数值称为过电压 。
*此陈述并非完全正确 。 在恢复期间 ， 随着SPAD上的电压增加并高于VBD ， 盖革放电的可能性并非为零 。 在恢复阶段可能会发生增益较小的雪崩 。 残留脉冲现象就是证据 。
SPAD的关键光电特性有光子探测效率、增益和暗计数率 。 SPAD可以由单个光子激活 ， 但是该光子可能是背景的一部分 ， 而不是信号的一部分 ， 那么该器件是如何为ToF激光雷达实现距离测量呢？
在最简单的设置中 ， 激光向目标的给定点发射一系列短时间脉冲 ， 时间间隔为T 。 这意味着目标会被反复照亮 。 对于光电探测器 ， 在每个周期T ， 测量脉冲发射时间点与SPAD触发时间点之间的时间间隔Δt 。 尽管可以通过暗事件、背景光子或信号光子来触发SPAD ， 但如果进行了数十、数百次或数千次测量 ， 则触发时间的直方图的峰值将出现在Δt处 ， 由于暗事件和背景光子会在随机时间触发SPAD ， 而信号只能在特定时间（往返时间）触发 。


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