单光子雪崩二极管(SPAD)是一类可以检测低强度信号到单个光子的光电探测器。与雪崩光电二极管(APDs)类似，发表利用反向偏置p-n结的光子触发雪崩电流来检测入射辐射。
光子学的研究有一个突出的挑战:探测单个光子。几十年来，研究人员一直试图创造一种一站式的光子传感技术，以SPADs为基础。
SPADs与常规二极管相比
二极管本质上是开关，允许电流容易流向一个方向，而抵抗电流流向相反的方向。spad被设计成在反向偏压下工作，并且可以在比标准反向偏压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)。
反向偏置二极管示意图。耗尽区开始扩大，因为它抵抗电流，直到电压达到击穿阶段，在这个阶段二极管将崩溃。图片由托尼·r·Kuphaldt
反向偏置的标准二极管将经历器件的击穿和烧毁，这是由电压超过其反向电压峰值引起的现象。大多数整流器或反向偏置二极管只能在室温下处理50伏左右的电压。如果温度升高，电压也会升高，加速了故障发生的速度。
spad是独特的，因为它们可以在击穿电压后继续工作。
SPADs的约束条件:温度和制造
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p-n结的温度。如果温度急剧上升，设备就会更快地达到击穿电压。即使spad可以处理更多的电压，将spad放置在恶劣的条件下仍然可能导致烧坏。
spad集成器件的例子。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，设备必须严格防止污染。晶体缺陷可以引起脉冲后，SPADs的一种非理想行为，危及任何计算检测事件的数量或时间的应用程序-这是SPADs的预期性质在第一个地方。
SPADs作为光子学的候选产品
SPADs因其多功能性而被广泛应用于光子学领域，因为它们足够灵敏，可以在低功耗的情况下探测单个光子。
有两种类型的铲:薄接点和厚接点。薄结spad工作在10v到50V，并为低功耗设计约束。
SPAD的结构图以及数组布局。图片使用的礼貌卡塔尼亚天体物理天文台实验室的探测器
对于高功率耗散设计，厚结电极能够在更高的击穿电平(200 V到500 V)下工作。SPADs尤其适用于激光雷达、医学成像和任何光线聚焦在小区域的应用。
ST的新型飞行时间模块利用了SPAD阵列
作为SPAD技术最近创新的一个例子，ST公司最近发布了一款号称是业内首个64区直接飞行时间模块——VL53L5 ToFsensor。该传感器具有940 nm垂直腔面发射层(VCSEL)光源、带有VCSEL驱动的SoC传感器、低功耗32位MCU核心以及重要的是接收spad阵列。
新模块设计的架构包括发射和接收透镜。正如前面提到的，ST表示该设备能够收集多达64个区域的各种数据。该公司还表示，由于该设备具有一系列可控制区域参数的接收spad，每个区域的输出帧率为60帧/秒，因此该设备具有广泛的适用性。
ToF传感器检测多个目标和拒绝反射的能力可以提高智能手机/相机的性能。
使用VL53L5的电路图示例。图片由意法半导体
ST成像部门总经理Eric Aussedat分享了对新型传感器结构的看法:“multizone VL53L5 FlightSense直接飞行时间传感器使用我们最先进的40nm SPAD生产工艺，提供出色的4m测距性能和多达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。考虑到这些功能，VL53L5被设计为改进激光自动对焦、存在检测、手势界面、触控对焦和其他成像技术。
