单光子雪崩二极管(SPAD)是一种可以探测到单光子低强度信号的光电探测器。与雪崩光电二极管(APDs)类似，发表利用反向偏压p-n结的光子触发雪崩电流来探测入射辐射。
光子学的研究有一个突出的挑战:检测单个光子。几十年来，研究人员一直试图创造一个一站式的光子传感系统，以SPADs为基础。
SPADs与普通二极管相比
二极管本质上是开关，允许电流很容易流向一个方向，而抵制电流流向相反的方向。SPADs被设计为反向偏置，可以在比标准反向偏置二极管更高的电压下继续工作。SPADs的结构与二极管相似(也不同)。
反向偏压二极管图。耗尽区开始扩大，因为它抵抗电流，直到电压达到击穿阶段，二极管将崩溃。图片由托尼·r·Kuphaldt
一个反向偏置的标准二极管会经历击穿和烧毁元件，这是由电压超过其反向峰值电压引起的现象。大多数整流器或反向偏压二极管在室温下只能处理50伏左右的电压。如果温度升高，电压也会升高，从而加快故障发生的速度。
SPADs的独特之处在于它们可以在击穿电压后继续工作。
SPADs的约束条件:温度和制作
和其他设备一样，SPADs也有其局限性。首先，击穿电压严格依赖于pn结的温度。如果温度有一个极端的上升，那么设备满足其击穿电压更快。即使SPADs可以承受更大的电压，但将SPADs置于恶劣条件下仍可能导致燃尽。
spad集成设备示例。图片使用的礼貌SPAD实验室
另一个限制存在于制造过程中;在开发SPAD的结构时，设施必须严格防止污染。晶体缺陷会导致后脉冲，这是SPADs的一种非理想行为，会危害任何计算检测事件数量或定时的应用程序，而这正是SPADs最初的意图。
SPADs作为光子学的候选者
SPADs因其在光子学领域的多功能性而得到广泛应用，因为它们的灵敏度足以在低功耗的情况下检测到单个光子。
SPADs有两种类型:薄结和厚结。薄结SPADs工作在10v到50V，设计用于低功耗设计约束。
SPAD的结构和阵列布局图。图片使用的礼貌卡塔尼亚天体物理天文台探测器实验室
对于高功率耗散设计，厚结spad能够在更高的击穿电平(200v到500v)下工作。SPADs在激光雷达、医学成像和其他光线聚焦于小区域的应用中特别有用。
ST的新飞行时间模块接入SPAD阵列
作为最近SPAD技术创新的一个例子，ST公司最近宣布了该行业首个64区直接飞行时间模块，即VL53L5 tof传感器。该传感器具有一个940nm垂直腔面发射层(VCSEL)光源，一个带有VCSEL驱动的SoC传感器，一个低功耗32位MCU核心，以及一个重要的接收SPADs阵列。
新模块的结构设计包括发射和接收镜头。正如前面提到的，ST表示该设备能够收集多达64个区域的数据。该公司还表示，由于接收SPADs的阵列具有可控制的区域参数，每个区域的输出帧率为60帧/秒，该设备广泛适用。
ToF传感器能够检测多个目标并抑制反射，可以提高智能手机/相机的性能。
使用VL53L5的电气原理示例。图片由意法半导体雷竞技最新app
ST公司成像部门总经理Eric Aussedat分享了这种新型传感器的结构:“多区域VL53L5 FlightSense直接飞行时间传感器采用了我们最先进的40nm SPAD生产工艺，提供了出色的4m测距性能，多达64个测距区域，帮助成像系统建立对场景的详细空间理解。”
Eric Aussedat还讨论了基于spad的传感器对成像能力的重要性，他解释说，该设备提供的测距区域比之前的设备多64倍。考虑到这些特性，VL53L5被设计用于提高激光自动对焦、存在检测、手势界面、触摸对焦和其他成像技术。
