pde与波长 sipm 关系_SPAD & SiPM 激光雷达sensor 简介

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1 Photon Detection with SPAD and SiPM

SPAD和SiPM的光子检测

1.1. Photon Absorption in Silicon 光子在硅材料中被吸收。

当光子穿过硅时，他有可能被吸收并把能量传递给硅中的束缚电子。这使得束缚电子从价带移动到导带，形成电子-空穴对。光子在硅中的吸收深度取决于其光子的能量(或波长)。如图1所示。硅能有效地吸收几十微米深度内的各种波长的光。

所以非常适合作为光检测器材料。由于光子吸收是波长相关的，因此硅光敏元件的光子探测效率也将是波长相关。

吸收深度是指光通量衰减到1/e时的硅的深度。

1.2. Silicon as a Photodiode

光电二极管是由P-N结组成，该结形成一个没有移动载流子的耗尽区。当光子被硅吸收时，就会产生电子空穴对。对于光电二极管施加反向偏压可以在耗尽区形成电场，使载流子向阳极(空穴)或阴极(电子)加速。因此，一个被吸收的光子将导致反向偏压光电二极管中的净电流。

PN结的形成

PN结是由一个N型掺杂区和一个P型掺杂区紧密接触所构成的，其接触界面称为冶金结界面。

在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，我们称两种半导体的交界面附近的区域为PN结。

在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内自由电子为多子空穴几乎为零称为少子，而P型区内空穴为多子自由电子为少子，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差。由于自由电子和空穴浓度差的原因，有一些电子从N型区向P型区扩散，也有一些空穴要从P型区向N型区扩散。它们扩散的结果就使P区一边失去空穴，留下了带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下了带正电的杂质离子。开路中半导体中的离子不能任意移动，因此不参与导电。这些不能移动的带电粒子在P和N区交界面附近，形成了一个空间电荷区，空间电荷区的薄厚和掺杂物浓度有关。

在空间电荷区形成后，由于正负电荷之间的相互作用，在空间电荷区形成了内电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。显然，这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反，阻止扩散。

另一方面，这个电场将使N区的少数载流子空穴向P区漂移，使P区的少数载流子电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。从N区漂移到P区的空穴补充了原来交界面上P区所失去的空穴，从P区漂移到N区的电子补充了原来交界面上N区所失去的电子，这就使空间电荷减少，内电场减弱。因此，漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，扩散运动加强。

最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层

光电二极管：

1.3. The Geiger Mode in Single Photon Avalanche Diodes (SPAD)

当极限高电场区域(> 5 x 105 V /厘米)在硅中生成的耗尽区(通过传感器设计与应用推荐的偏压), 在那里产生的载流子将被加速到携带足够的动能，通过一个叫做碰撞电离的过程产生二次电荷对的程度。通过这种方式,一个被吸收的光子可以触发一个自永续电离级联，在电场作用下扩散到整个硅体中，硅会被击穿并导电，有效地将原来的电子-空穴对放大成宏观电流流。这个过程叫做盖革放电，类似于盖革穆勒管中观察到的电离放电。

在盖格模式下工作的光电二极管就是利用这种机制来获得高增益，称为单光子雪崩二极管SPAD。当反向偏压超过其额定击穿电压时，会在PN结