光子是最小的能量和电磁信息载体，单光子能量极其微弱，10W的灯泡一秒钟便可以发出约1020个光子，因此对光子的有效探测（光探测的极限）极具挑战，同时也意味着对光学信息采集的最高灵敏度。

近年来，SPAD（单光子雪崩二极管）、SiPM（硅光电倍增管）和SNSPD（超导纳米线单光子探测器）凭借各自的优势在不同波段和应用场景中占据重要位置。本文旨在对三者的工作原理、关键性能指标以及选型要点进行系统梳理，帮助读者快速找到“本命探测器”。

为了把这三个听起来“高冷”的探测器讲清楚，我们先打个比方：把“光”想成“雨滴”，把“探测器”想成“接雨器”。
SPAD是一个超灵敏的接雨器，只要一滴雨落在上面，它就会“啪”地一声响（输出一个电脉冲），告诉你“下雨了！”——但它分不清雨有多大，只能告诉你“有没有”。
SiPM是很多个SPAD排成阵列，就像很多个小漏斗一起接雨，不仅能告诉你“有没有雨”，还能估算雨量大小（通过有多少个漏斗响了）。
SNSPD是超导材料做的接雨器，必须在极低温下工作，但它能接住最轻最轻的雨滴（单个光子），而且反应极快，适合高端科研或量子通信。

图1 单光子探测器示意图

SPAD工作原理及结构

SPAD（Single‑Photon Avalanche Diode，单光子雪崩二极管）是一种工作在盖革模式的半导体光电探测器，专门用于捕获并放大单个光子的信号，其工作原理如下：

结构：典型为p‑n结二极管，反向偏置略高于其击穿电压。

元激发：在此偏置下，二极管处于“元激发”状态，平时几乎没有电流。

光子触发：当光子被吸收后产生电子‑空穴对，强电场会把它们加速，使其在耗尽区内产生二次载流子（冲击电离），形成雪崩倍增。

脉冲输出：雪崩过程在极短时间（皮秒级）内产生可检测的电流脉冲。随后通过淬灭电路（被动或主动）快速降低电压，使二极管恢复到元激发状态，准备下一次探测。通过该效应，单个光子触发的微弱载流子信号被放大为可测量的电脉冲，从而实现单光子级别的探测。

在所有SPAD中，基于Si-APD（硅雪崩光电二极管）的单光子探测器因其具有高检测效率、低暗计数率和减少的后脉冲效应而表现出卓越性能；然而，硅的带隙（1.12eV）限制了它们的应用范围至低于1.1μm的波长区域。

图2 APD内部的典型结构和电场分布(盖革模式）[1]

SiPM工作原理及结构

SiPM（Silicon Photomultiplier，硅光电倍增管）是一种由数千个工作在盖革模式的微型雪崩二极管（即SPAD）并联组成的固态光电倍增器，能够在常温下实现单光子级别的高灵敏度、快速计数和线性光强响应。
所有并联的SPAD脉冲在输出端相加，输出电荷的幅度与触发的微单元数量成正比，因而SiPM能实现从单光子到数千光子的线性计数。其工作过程如下：

1、光子吸收→电子‑空穴对产生（光子进入p‑epi层）；
2、载流子漂移→崩触发（在n⁺/p⁺结的强电场中加速，引发连锁碰撞）；
3、雪崩电流上升→通过淬灭电阻Rq降压，导致局部电压跌至低于击穿点，雪崩被淬灭；
4、恢复阶段→电容放电后，偏置电压重新恢复至工作电压，SPAD再次进入可检测状态。恢复时间主要由SPAD电容和淬灭电阻Rq决定，典型为10ns~100ns。

图3 SiPM的典型结构和工作原理[2]

SNSPD工作原理及结构

SNSPD（Superconducting Nanowire Single-Photon Detector，超导纳米线单光子探测器）通常是由一根超薄、超细的纳米线条蜿蜒曲折构成，最常见的厚度在5-10nm之间，宽度在50-100nm之间。与PMT和SPAD不同，SNSPD的探测机理是基于超导量子效应，入射光子（能量~eV）会大量拆散超导态的主要组成成分——库珀对（能隙~meV），使得器件由超导态跳变到有阻态。其核心机制是：

1、偏置在临界电流以下（Ibias<Icritical），纳米线处于零电阻超导态；
2、一个光子被纳米线吸收后，破坏局部库珀对，形成“热点”（正常态区域）；
3、热点导致局部电阻骤升，电流被分流到读出电路，产生一个可测电压脉冲；
4、热点通过基底散热迅速冷却，纳米线自动恢复超导态，准备探测下一个光子。

图4 SNSPD热点形成机制的示意图

由于这种光子检测机制需要非常窄的线，为了最大化其与光束的重叠面积以实现高检测效率，SNSPD通常被图案化为“蛇形”方式覆盖大面积。然而，这些大面积探测器的制造要求非常高，需要纳米线完全均匀才能保证探测器的灵敏度。此外，大面积探测器意味着较长的蛇形线。
因此，整个纳米线的电感增加，结果导致探测器的死时间增加到大约10ns，但对于大面积探测器来说，这仍然比大多数其他类型的光子计数器快得多。

选型对比

总的来说：
1、如果应用强调“紧凑、低成本、高线数”且可接受短期性能折中，SPAD是迈向高集成激光雷达的演进方向，但仍需解决量子探测效率（PDE）、串扰与迭代灵活性等短板；
2、若目标为“当下即可量产、探测距离远、动态范围大、可现场升级”，SiPM凭借成熟模拟架构与更高PDE，仍是<300线激光雷达及通用光子计数场合的经济之选；
3、对于“极限灵敏度、超快时间分辨率、中红外波段”需求，SNSPD提供无可替代的性能，只是低温与成本门槛决定其现阶段仅服务于量子信息、卫星测距等高端科研领域。

表1 单光子探测器SPAD/SiPM/SNSPD对比

参考资料

[1]Grigoriev E , Akindinov A , Breitenmoser M ,et al.Silicon photomultipliers and their bio-medical applications[J].Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, 2007, 571(1-2):p. 130-133.
[2]You S .Physics of self-quenching and self-recovering Single Photon Avalanche Detectors (SPADs)[J].electronic theses & dissertations, 2012.