硅基SPAD与SiPM光子检测技术详解

本文将详细介绍SPAD (Single Photon Avalanche Diode) 和 SiPM (Silicon Photomultiplier) 在激光雷达传感器中的关键技术。首先，我们从光子检测原理开始。光子在硅材料中的吸收是一个关键过程，硅因其能有效地吸收不同波长的光且吸收深度可达几十微米，因此成为理想的光探测材料。光子被吸收后，会在硅中产生电子-空穴对，形成光伏效应。 硅作为光电二极管的基本组件，其工作原理基于P-N结结构。当光子被硅吸收时，会引发电子和空穴的产生。施加反向偏压可以利用内电场驱动这些载流子向相反极移动，从而形成净电流，这就是光电二极管的基本检测机制。PN结由N型和P型半导体通过掺杂工艺形成，两者之间的接触界面形成一个耗尽区，这里的电子和空穴浓度差异导致了内电场的产生，它阻止了扩散运动，并引导载流子进行漂移运动。 SPAD是一种特殊的光电二极管，它的设计允许单个光子触发一次内部雪崩放大过程，大大提高了检测灵敏度和速度。这种技术特别适合于激光雷达，因为激光雷达需要精确地测量到达物体的单个光子，以实现高精度的距离测量和环境感知。 相比之下，SiPM则是一种光子计数器，它由多个小型光电二极管单元组成，每个单元都独立响应光子。当一个光子进入时，它可能激发多个单元，形成“倍增”效应，增加了计数的可靠性和量子效率。这种结构使得SiPM在高光强环境中也能保持良好的性能，同时适用于需要大量光子计数的应用，如激光雷达的测距和目标识别。 总结来说，SPAD和SiPM技术在激光雷达传感器中的应用，通过精细的光子探测和计数能力，提供了高精度的测距和环境感知功能。理解这两个技术的工作原理和特性，对于优化激光雷达系统的性能和选择合适的传感器至关重要。