接收元器件是决定激光雷达性能的核心零部件之一，激光雷达靠激光器发射激光，然后探测器接收漫反射回来的光，利用光电效应将光信号转化为电信号，从而实现对光信号的探测。

可以看到接收探测器的根本原理是光电效应，目前车载激光雷达中的半导体探测器按照工作原理可以分为：

  • PIN-PD：是在最基础的光电二极管的基础上扩宽了势垒区，价格低廉，结构简单，响应速度快，但没有增益，灵敏度有限。
  • APD：在 PIN 光电二极管的基础上，加上一定的反向电压，相当于人为增加了势垒，在外界光电效应的触发下，少量光生载流子引发雪崩效应电流倍增。输出电流与入射光子数量呈线性关系，相当于一个具有增益的光电二极管，这可进一步增大光检测的灵敏度，同时较大反向电压的作用也可进一步提高其响应速度，这就是雪崩光电二极管（APD），APD 已经是光通信技术中用来接收微弱光信号的一种基本器件。
  • SPAD：APD 工作电压在雪崩电压以上（盖革模式），每个入射的光子都会触发雪崩效应，灵敏度极高，甚至可以探测单个光子，但由于其工作于临界状态，需要配合猝灭电路设计，只能识别有无而无法识别强度，通常采用阵列的方式，利用多个传感器感知到光子的机率和时间来间接获得光强信息。
  • 多个 SPAD 以阵列并联，就是硅光电倍增管 SiPM。

接收探测器原理

要讲解接收器的原理，我们首先要复习一下 PN 结：

采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将带空穴的 P 型半导体与带电子的 N 型半导体制作在同一块半导体。PN 结在漂移运动和扩散作用的双重影响下，电子多的区电子会向空穴多的区扩散，而遗留下了代表正电的空穴。相对的，空穴会从空穴多的区向电子多的区扩散，原位置便填补了带负电的电子。这导致结周围扩散到对方的多数载流子（自由电子与空穴）都耗尽了，结区载流子变得非常少，形成了耗尽层（Space Charge Region），留下的电荷密度等于净掺杂水平。耗尽层的宽度与材料本身性质、温度以及偏置电压的大小有关。在没有外加电压情况下（平衡状态、零偏置），跨结形成了电势差（内建电势，built-in potential）。

若施加在 P 区的电压高于 N 区的电压，称为正向偏置。在正向偏置电压的外电场作用下，N 区的电子与 P 区的空穴被推向 PN 结。这降低了耗尽区的耗尽宽，降低了 PN 结的电势差。 随着正向电压的增加，耗尽区最终变得足够薄以至于内电场不足以反作用抑制多数载流子跨 PN 结的扩散运动，因而降低了 PN 结的电阻。 跨过 PN 结注入 P 区的电子将扩散到附近的电中性区。 所以 PN 结附近的电中性区的少数载流子的扩散量确定了二极管的正向电流。正向偏置下，跨 PN 结的电流强度取决于多数载流子的密度，这一密度随正向偏置电压的大小成指数增加。 这使得二极管可以导通正向大电流。

若施加在 N 区的电压高于 P 区的电压，这种状态称为 PN 结反向偏置。 由于 P 区连接电源负极，多数载流子（空穴）被外电场拉向负极，因而耗尽层变厚。 N 区也发生类似变化。 并且随反向偏置电压的增加，耗尽层的厚度增加。 从而，多数载流子扩散过 PN 结的势垒增大， PN 结的电阻变大，宏观看二极管成为绝缘体。

以 P 型硅为衬底的 2DU 型光电二极管的原理结构图

基本的光电效应描述的是在由 PN 结组成的半导体器件上，光电效应类探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态改变，即光子能力的大小直接影响内部电子状态改变的大小。

在反向电压作用下工作，在一般强度的光线照射下，所产生的电流为光电流。因而这类探测器受波长限制，存在“红外限”，截至波长为 $\lambda_c=\frac{h_c}{E}$， $h_c$ 为普朗克常数，E 在外光电效应（金属作为光阴极直接向外部发射电子）中为表面逸出功，在内光电效应（半导体内部以载流子光生效应为代表）中为半导体禁带宽度。也可以看出来，半导体材料决定了可以探测的波长范围。

PIN 光电二极管

P-I-N 光电二极管, P-I-N Photo-Diode（PIN-PD），这是一种灵敏度比一般 PN 结光电二极管要高的光检测二极管它是针对一般 PD 的不足、在结构上加以改进而得到的一种光电二极管。

P-I-N 结光电二极管实际上也就是人为地把 P-N 结的势垒区宽度加以扩展，即插入一层低掺杂的纯度接近于本征半导体材料 I 层来取代势垒区，而成为了 P-I-N 结。产生光生载流子的有效区域增大，扩散的影响减弱，并且结电容也大大减小，所以其光检测的灵敏度和响应速度都得到了很大的提高。

雪崩光电二极管 APD

为了能探测到微弱的入射光，我们希望光电探测器具有内部增益，即少量的光生载流子在倍增电场作用下能产生较大的光生电流。

在以硅或锗为材料制成的雪崩光电二极管通过施加高的反向偏置电压，射入的光被 PN 结吸收后形成光电流，施加反向偏压电压后会产生雪崩电离效，即可显示出内部电流增益效应，进而实现探测效果的放大，因此这种二极管被称为“雪崩光电二极管”。

为了解释雪崩电离效应，我们得先了解 PN 结在添加反向偏置电压时的情况：

  • 反向偏置时会形成极其微弱的漂移电流，电流由 N 区流向 P 区，并且这个电流不随反向电压的增大而变化，称为反向饱和电流。 这是因为反向电流是由少数载流子跨 PN 结形成的，因此其值取决于少数载流子的掺杂密度。 由于反向饱和电流很小， PN 结处于截止状态，所以外加反向电压时， PN 结相当于断路。
  • 当反向电压逐渐增大时，反向饱和电流不变。 但是当反向电压超过一定值时，PN 结的电阻突然减小，反向电流急剧增大， PN 结将被击穿。 因为反向电压过大，位于 PN 结中的载流子会拥有很大的势能，足以和中性粒子碰撞使中性粒子分离出价电子而产生空穴-电子对，然后导致链式反应，类似于雪崩，这样会导致 PN 结反向电流的急剧增大，发生雪崩击穿（Avalanche Breakdown）。

APD 典型结构

最简单的 APD 结构是在 PIN 光电二极管的基础上，对 P 区和 N 区都进行了重掺杂，在邻近 P 区或 N 区引进 N 型或 P 型倍增区。掺杂浓度越强所需电场越弱。 当掺杂浓度足够高时，在 PN 结两端加入弱电场就会使中性粒子中的价电子脱离原子的束缚，从而成为载流子，导致 PN 结的击穿。

由于其具有低功耗、小型化、高速、高可靠等技术特点，在微弱光及单光子探测领域占有重要地位，在量子通信、激光雷达以及激光三维成像等热点领域都有广泛应用。

单光子雪崩二极管 SPAD

APD 的工作模式分为线性模式和盖革模式两种。在线性模式工作状态， APD 的偏置电压低于其雪崩电压，对入射光电子起到线性放大作用，反向电压越高，增益就越大。APD 对输入的光电子进行等有限增益放大后形成连续电流，获得带有时间信息的激光连续回波信号。

在盖革模式（Geiger Mode）下，偏置电压高于其雪崩电压，APD 增益迅速增加，此时单个光子吸收即可使探测器输出电流达到饱和，即在高于 APD 击穿电压的具有单光子探测能力的光电探测雪崩二级管 (Single Photon Avalanche Diode，SPAD）。

一旦触发，施加在 SPAD 的反向偏置电压不变的话，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，所以放电一旦开始，就需要迅速自淬灭，通过配套淬灭和读出电路对雪崩倍增过程进行淬灭和恢复控制，从而实现单光子探测。这意味着哪怕周围昏暗的环境或远处照射过来的光线致使射入传感器的光子强度很弱，通过雪崩倍增现象传感器仍旧能够将光子增幅并将其识别为大量的光子。

探测到的 SPAD 光计数值，实际上对应于同时检测到的一个或者多个光子事件的发生，这种事件发生的确切数目是无法被分辨出来的（事实上是点击事件探测器）。但可以在时间的尺度上利用对 SPAD 的猝灭和充电机制的预测，来估计所探测到的光子的数量。例如在时间尺度上，撞击的光子数是呈指数型增加变化的。

APD 盖革模式工作原理

目前 SPAD 中最常使用的半导体材料是 Si 材料和 InGaAs 等 Ⅲ-Ⅴ 族化合物材料。SPAD 具有高探测效率、低暗计数率、低成本等特点，在量子通信、激光雷达等领域得到广泛应用。

SPAD 的像素电路设计中包括主动猝灭和充电、屏蔽和门控策略：

  • 猝灭和充电：单个入射光子可以激活 SPAD，从而产生持续的电流。但正在进行放电的 SPAD 不需要再对光敏感，而又要探测未来的下一个入射光子，有必要实现猝灭，再次将 SPAD 重新设置为截止或光敏状态，中间间隔的时间为死区。有源猝灭和充电可以被用来优化一个 SPAD 的检测周期，通过控制减少死区时间，从而提高检测周期的最大计数率。此时有源电路可以用来阻止雪崩的发生，并且可以比被动电阻方法更早地给 SPAD 充电。这不仅限制了流经二极管的电荷量，从而提高二极管的使用寿命，而且这种方法还可以减少寄生脉冲的发生。
  • 掩膜：可以被用来实现选择性的禁用或者导通阵列中的特定像素的探测单元，该方案通常用于具有多个像素共享电路的设计中，以避免因特殊噪声像素的过载而导致的整体性能降低的问题。这也可以备用实现对 SPAD 进行开关控制，从而可以防止不必要的雪崩的发生，或者可以将像素单元与读出电路断开，消除潜在的串扰。
  • 门控：像素体系结构中一个独立的设计元素，它指的是在有限的时间内控制 SPAD 的开关，这个时间窗口可达到皮秒量级。其最大意义在于可以实现时间分辨探测。例如在具有重复（脉冲）照明的装置中，门控允许在重复周期的某个特定周期内选择性地捕获光子，从而实现了在皮秒级移动门控窗口来精准控制检测时序的功能，或滤除不感兴趣时间的那部分光子响应。

硅光电倍增管 SiPM

SPAD 阵列通常可分为两类：

  • 一类直接将单独的 SPAD 组成阵列，通过光子出现的频率来测算光场强度，该种方式灵敏度高，但后端的电路复杂度也略高。
  • 另一类则将 SPAD 并联，成为一个单独的模块，进而可以探测到光强信息，称为硅固态倍增管（SiPM）也称为多元光子计数器（Multi-Pixel Photon Counter， MPPC），是一种基于多元微通道技术的硅基固态电子倍增器件。

它由成百上千甚至上万个 SAPD 和淬灭电路并联组成 SiPM 的二维像素单元，其中每一个像素单元都可作为单独的光子计数器使用，灵敏度只是略低于 SPAD 阵列，但逻辑电路也较简单，增益高、偏置电压低、成本低、集成度高、抗干扰能力强、对磁场不敏感、结构紧凑等特点，已在正电子发射断层扫描技术、高能物理学实验核医学等不同应用中部分替代了传统的光电倍增管，也在如激光光谱学、量子信息技术、激光雷达技术等单光子或少量光子探测技术中得到应用。

材料和波长

探测器能探测到的波长取决于自身使用的材料，通常使用 Si、Ge、InP、InGaAs、InGaAsP 等不同种类三五族元素。

905nm 波段的激光目前的主流方案是配合硅基材料，硅基材料的晶圆成熟，成本低。905nm 波长下 SPAD 的工作电压低，可采用低压电路，价格低廉，灵敏度高，且后端的处理电路相对 APD 更简单，采用阵列化的方式，探测效果逐步可以媲美甚至超越 APD，随着 SPAD 阵列的规模不断做大，该产品路线已经日益成为玩家们首选。

而 1550nm 波段的激光则需要铟镓砷等材料探测，铟镓砷等材料由于工艺难度、晶圆尺寸和使用场景的限制，成熟度没有硅基高，厂商通常使用线性 APD 或者线性 APD 阵列作为探测元件，成本较高。

在 SPAD 和 SiPM 阵列之间，厂商通常通过不同的需求来适配不同种类的产品。SPAD 系统成本较 APD 低，且体积更小适合大规模量产，可采用低压电路，灵敏度高，且后端的处理电路相对 APD 更简单。SiPM 电路结构简单，系统成本和探测成本均较低。SPAD 和 SiPM 有望替代 APD 成为主流。

探测器的灵敏度、是否能获得光强信息、价格、接收器的信息处理效率都是厂商需要斟酌的内容。

类型 PIN PD APD SPAD SiPM/MPPC
增益 1 <100 1e6 1e6
探测范围 短距 中长距 中长距 中长距
电路结构 复杂 复杂 复杂 简单
成本 探测器成本低 系统成本高 探测器成本高 系统成本高 探测器成本高 系统成本高 探测器成本中
设计冗余 信号完整性 信号完整性 温度补偿 信号完整性 淬灭电路 温度补偿
光谱范围 硅：<1200nm 铟镓砷：<2600nm 硅：<1150nm 铟镓砷：<1700nm 硅：<1150nm 铟镓砷：<1700nm <950nm
探测速度 快 快 中，受限于恢复时间 中，受限于恢复时间
工作电压 <10V <200V >150V <80V
噪声 探测器噪声低 系统噪声高（受限于放大器） 探测器噪声低 系统噪声高 （受限于放大器） 探测器噪声高 探测器噪声高 系统噪声低

其他单光子探测器

光电倍增管 PMT: 光阴极是由逸出功较小的碱金属化合物镀膜形成，光阴极在一定能量的光子照射下发生外光电效应，将光子转化成发射的电子，电子在电场约束下通过电子光学系统进入倍增级，电子通过电场加速后轰击倍增级表面的二次电子材料实现电子的倍增，电子信号经过多级倍增达到 1e5~1e9 倍的放大。

光子探测器其实不只是应用于激光雷达中，也存在其他构型，除了半导体二极管，还有：

  1. 基于外光电效应的光电倍增管。是基于外光电效应和二次电子发射理论的真空器件，广泛应用于微弱光子探测。因为处在阳极 Anode 和阴极 Cathode 之间，所以英文命名为打拿极 Dynode。光阴极是由逸出功较小的碱金属化合物镀膜形成，光阴极在一定能量的光子照射下发生外光电效应，将光子转化成发射的电子，电子在电场约束下通过电子光学系统进入倍增级，电子通过电场加速后轰击倍增级表面的二次电子材料实现电子的倍增，电子信号经过多级倍增以后可以达到 1e5~1e9 倍的放大，最后放大后的信号被阳极收集输出。包括打拿极 PMT、微通道板（Micro Channel Plate，MCP） PMT 等。
  2. 超导器件。基于超薄超导材料制备的 SNSPD 的基本原理是超导纳米线吸收光子后会出现有阻的局域非平衡点“hot-spot”，从而导致超导纳米线两端产生电压脉冲信号，通过光电转换实现单光子探测。SNSPD 理论上具有接近 100% 的系统探测效率。包括超导纳米线单光子探测器（Superconducting Nanowire Single-Photon Detector，SNSPD）、超导临界温度跃迁单光子探测器（Transition Edge Sensor，TES）等。
  3. 量子器件。包括量子阱（Quantum Well，QW）单光子探测器、量子点（Quantum Dot，QD）单光子探测器。
  4. 非线性器件。包括自发参量下转换（Spontaneous Parametric Down Conversion，SPDC）单光子探测器、频率上转换单光子探测器等。
  5. 二维材料 2D APD：二维层状材料与传统的体材料相比，具有自钝化表面、强光物质耦合、可调费米能级和机械灵活性等优良特性，并且材料特性可随着厚度不同而不同。包括二维层状石墨烯材料、二维过渡金属硫化物和二维黑磷。
  6. CMOS/CCD：PMT 和 APD 都属于点探测器，只能探测光子信息，可以通过扫描方式测光谱。我们熟悉的相机中的 CCD 和 CMOS 属于面阵探测器，可以成像。

各种倍增级特性，不同类型的 PMT 针对不同的应用场景需求

微通道板 MicroChannel Plate PMT 与打拿极 PMT 的不同之处在于其采用微通道板代替传统的分离式多级倍增极。MCP 内包含成百上万个微通道（直径一般为 6μm～25μm），每个微通道里都涂有二次电子发射材料，可视为一个单独的二次电子倍增器。目前技术比较成熟的 MCP-PMT 为近贴聚焦型，相对打拿极 PMT 来说具有增益高、抗磁能力强等突出特点。

MCP 光子探测器原理结构示意

Reference

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