单光子雪崩二极管（SPAD）传感器正在市场上涌现，并被应用于需要极高灵敏度、精确时序和三维成像能力的汽车、医疗和工业应用，通常在低光环境下。设计挑战包括管理死时间、抑制后脉冲和暗计数等噪声源、减少光学串扰，以及实现高光子探测概率（PDP）和高分辨率，尤其是在将SPAD集成到大型阵列时。 SPAD采用雪崩过程，从单个光子产生显著电流。这导致其功耗高于传统CMOS传感器。作为更高的功耗，SPADS可以提供更优越的信噪比（SNR）性能和其他优势。 偏置与电子学 基本的SPAD由一个p-n结组成，偏置于击穿电压（V）B).它们检测单光子的能力源于当电场足够高，达到临界值（>3.105 V/cm）克服V时，发生的正反馈作B带有过量偏置（V前）偏置电压（图1）。 图1。关键的SPAD规范包括击穿电压（VB）以及过量偏置电压（V前).（图片来源：物理学前沿) SPAD是双稳态器件，要么处于静止状态，要么处于雪崩状态。该装置必须保持在平静状态，偏置于击穿之上，持续超过一毫秒，等待雪崩电流注入。一旦光子产生电子-空穴对，雪崩就会以小于1纳秒的上升时间启动，达到1毫安或更高的电流，足以被读出电路检测到。 如果不及时淬火，雪崩电流可能足以损坏装置。读出电路必须检测雪崩的前缘，产生输出脉冲，并迅速将偏置降低至VB并恢复初始运行水平。该读出电路有时被称为传感、淬火和充电电路，或简称淬火电路。 性能考量 SPAD可能因热效应产生假计数，尤其是在高温和V升高时前.所得的暗计数率（DCR）可以通过V的优化组合来管理前以及保持传感器的正确工作温度。 暗计数是随机且无相关性的噪声脉冲，而后脉冲则是SPAD中的相关噪声。当被困载波在雪崩事件后产生假信号（后脉冲）时，就会产生后脉冲现象。通过暗计数和后脉冲，则没有光子被探测到。如主动淬火或雪崩事件后增加死时间等技术，可以最大限度地减少后脉冲。 SPADs的连锁事故也可能是个挑战。当光子过多时，SPAD会被压倒，导致计数不准确。通过同步SPAD的死时间与激光照明器，以及堆叠后处理算法，可以最大限度地减少这一问题。 数据处理可能是SPAD的另一个挑战。一个大型数组可以产生大量数据。这需要高效的读出架构和高速数据处理，以在高峰运行条件下实现足够的吞吐量。 信号、噪声与图像质量 通过增加激光输出、有效降低信背景噪比（SbNR）以及提高采样率，可以提升汽车激光雷达及类似应用中的激光照明SPAD成像性能。这会增加整体功耗。 如预期，低功耗、低信噪比且样品较少的解会在物体位置的估计方差中产生最大（见图2）。虽然高采样率和高信噪比消耗更多功率，但在估计位置产生最小的方差。低信噪比与多样本或高信噪比但样本较少的组合，结果方差中等，功耗介于中等。 图2。不同信噪比（SbNR）和样本量对SPAD系统性能影响的示例。（图片来源：科学报告) 首次到达差分计数 首次到达差分（FAD）计数用于简化需要精确光子传播时间但不需要精确到达时间的SPAD应用。FAD不再使用精确的时间戳和复杂的每像素计时电路，如时间到数字转换器（TDC），而是利用第一个光子的到达时间编码后续光子到达的差分时间信息，并支持与强度或深度相关的计算。 FAD常用于高动态范围（HDR）成像和闪光激光雷达等应用。在这些应用中，使用了完整的 SPAD 像素阵列。为每个像素捕捉精确的时间戳会导致电路复杂、成本更高，且结果可能更不精确。FAD可以克服这些局限。
