二、 SPAD探测器和SPAD成像仪（SPAD阵列）

1. 单光子雪崩二极管Single -photon avalanche diodes (SPAD)

具有单光子检测能力的光电探测器已有几十年的历史，并发展出多种不同的检测技术，例如光电倍增管（PMTs）、微通道板（MCPs）和电子倍增电荷耦合器件（EMCCDs），都是其不同的实现形式。然而，想要实现大规模、全固相单光子成像仪，则需要一种具有可靠性能参数集的小型化可集成扩展设备。其中一个代表型的案例就是将SPAD器件应用于工业标准CMOS技术中。SPAD本质是一个PN结击穿电压被反向偏置的二极管，因此，当单个光子入射到有源器件（即光敏器件）区域时，可以形成电子-空穴对，从而触发次级载流子雪崩。雪崩的形成时间通常在皮秒量级，因此相关的电压变化可以用来精确测量光子到达的时间。这个操作形式被称为盖革模式。所以，这些设备也被称为盖革模式光子雪崩二极管 (GmAPDs)。

为了防止大电流对设备本身造成毁坏，需要及时阻止SPAD内部发生的自持式雪崩，这个过程被称为猝灭。猝灭的发生可以通过SPAD偏置电压Vop设置低于其击穿电压Vbd来实现，实际中可将SPAD串联一个电阻来达到这个偏置效果。然后，在下一个光子触发另一个雪崩之前，穿过SPAD的电压需要恢复到击穿电压以上的初始值。在这个间隔期间（通常为几十纳秒量级，被称为时滞时间或死区时间），SPAD几乎不敏感，这依赖于精准的猝灭和充电机制，以及SPAD的前端器件辅助实现。

整个过程中，SPAD的灵敏度将逐渐增加，直到充放电完成时达到其标称值。通过使用前端鉴别器（例如单晶体管或逆变器），检测事件发生期间中SPAD的电压变化很容易被转换为数字信号，鉴别器在确定可检测的最小雪崩电流上起着重要作用。由此产生的输出，不依赖于撞击的光子的波长，而且与标准电子兼容。因此，这也让SPAD被集成在更大的电路或者检测器阵列变得更加容易且可行。

有许多参数用于描述单个SPAD器件的性能，如下表所示。其中最重要的是光子探测概率(PDP)，它表示在给定波长下器件响应光子吸收时的雪崩概率。在CMOS SPAD中，PDP在可见区有一个峰值，对于单个优化的二极管可达到70%。其他重要的参数包括暗计数率(DCR)，即在无光情况下观测到的雪崩概率，以及后脉冲，后者引入了与先前探测时间相关的错误事件。当SPAD在成像仪中分组时，必须考虑光电串扰和填充系数，填充系数表示光敏面积和总像素面积之间的比值。SPAD的填充因子明显影响整个成像器的灵敏度，因为它乘以PDP得到整体光子探测效率(PDE)。

SPAD器件的特性参数

许多SPAD特性可以在设计阶段进行优化。例如，为了更好地包含高电场并防止边缘过早击穿，更大的保护环尺寸被采用，这将引发串扰，同时也是以牺牲有源面积和填充因子作为代价。不过，这可以用更大的二极管来补偿，而DCR的代价是随着二极管面积的增加而增加。短的死区（时滞）时间允许较高的计数率，因此有较高的动态范围，但会增加后脉冲计数概率，这将导致在检测光子相关性时会出现统计错误问题。理想情况下，应该在设计阶段考虑目标传感器应用流程，充分权衡各个参数的影响，例如灵敏度与噪声、速度与填充因子，以取得更加符合要求的效果。

2. 从单个SPAD器件到SPAD阵列

当在给定的制造过程中演示了合适的SPAD器件和像素电路时，它们可以集成到阵列中形成SPAD成像仪。最简单的阵列是线性的，允许设计者将检测和处理电子设备放置在光敏区域外，从而实现更高的填充系数。另一方面，二维像素阵列需要在像素内或在外围的独立电路来获取、存储和传输数据。这种额外的电路对填充系数产生了负面影响，但消除了创建完整图像的扫描需求。在空间粒度层面上也存在一定的自由度，例如，分组像素可以减少总体数据吞吐量，同时保留关键信息，如光子计时和降低复杂性。时间粒度也是如此，例如，仅允许为特定应用场景获取所有可能时间戳的一个子集；最后，传感器制造本身可能包括后处理步骤，如沉积微透镜以增加整体灵敏度。