隨著自動駕駛技術的不斷發展，光達（LiDAR）系統已經成為現代汽車工業中不可或缺的一部分。光達系統利用光來探測和測量物體的距離，提供了一種精確而可靠的方法來感知周圍環境。在這個系統中，單光子雪崩二極體（SPADs）扮演著至關重要的角色。
本研究由加拿大McMaster University教授、加拿大皇家科學院原院長M. Jamal Deen帶領中國電子科技大學的Xuanyu Qian研究人員所撰寫，旨在探討SPAD在光達應用中的建模和設計。作者通過深入分析SPAD的工作原理，揭示了其在光達系統中的重要作用，並提出了一系列創新的設計和優化策略。
(註：Prof. M. Jamal Deen是加拿大McMaster University教授，加拿大Senior Canada Research Chair in Information Technology，加拿大皇家科學院院長及院士，加拿大傑出大學教授。他是國際上微納電子和生化光電傳感領域深具影響力的教授。他H Index超過45，他的引用超過6800次。他是IEEE Fellow(2002)、加拿大工業研究院(EIC)院士(2003)、美國物理學會(APS) Fellow(2004)、國際電化學會(ECS) Fellow(2004)、美國科學促進會(AAAS) Fellow(2005)、加拿大皇家學院(RSC)院士(2006)、加拿大工程院(CAE)院士（2007）、印度國家工程院(INAE)院士以及印度國家科學院（NASI）外院院士（2012）等。)
本論文主要關注汽車市場中快速發展的光探測和測距 (LiDAR) 系統領域，探討了 SPAD 在實現擴展探測範圍、更高解析度和快速反應時間方面的重要作用。隨著先進的互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 技術變得越來越可用，SPAD 的經濟高效解決方案也變得更加可行。
首先，詳細回顧了光達系統中最近的 SPAD 應用。本討論涵蓋基於各種 CMOS 技術的商業產品和研究工作。使用不同技術製造的 SPAD 在性能上表現出顯著差異。因此，用於在製造之前模擬關鍵性能的 SPAD 模型非常重要。隨後，全面回顧了 SPAD 模型的演變，從關鍵基礎知識到建模過程。基於65 nm標準CMOS技術和文獻綜述信息，介紹了增強的SPAD建模過程。該模型考慮了電場的二維分佈，提高了暗計數率 (DCR) 預測的準確性。為了驗證其有效性，SPAD 採用 TSMC 65 nm 標準 CMOS 技術精心設計，進行校準和比較。測量結果表明，由於採用了輸出緩衝器，後脈衝機率可忽略不計（~ 0%），DCR 水平也不錯（0.7 V 超壓時~ 14 kHz）。測量到的光子偵測機率 (PDP) 的波長依賴性也與模擬結果一致。進行了額外的討論，以找出模擬和測量之間的一些偏差。最後，根據模擬和測量結果提出了重要的研究挑戰。為了應對這些挑戰，提出了最佳化 SPAD 模型和設計的潛在方向，然後得出結論。
SPAD是一種能夠檢測單個光子事件的光電二極管，它在逆向偏壓下工作，並利用雪崩效應來放大光電流。當一個光子入射到SPAD的活性區域並產生一個光生電荷時，這個電荷將在高電場的作用下加速，並與其他電荷碰撞，產生更多的載流子。這一過程會迅速形成雪崩，導致一個大的電流脈沖，從而實現對單個光子事件的檢測。這使得SPAD在低照度條件下表現出色，成為光達系統中不可缺少的組件。
Xuanyu Qian在文檔中詳細介紹了SPAD的基本結構和工作機制，並通過數學建模和模擬分析了其性能。他強調了溫度、光強度和其他外部條件對SPAD性能的影響，並提出了一系列方法來優化其性能。
除了技術分析外，Xuanyu Qian還探討了SPAD在自動駕駛汽車和其他現代應用中的潛在應用。他指出，通過改進SPAD的設計和性能，可以進一步提升光達系統的精度和可靠性，從而為自動駕駛技術的發展奠定堅實的基礎。
在光達系統中，SPAD的高靈敏度和快速響應時間使其成為一種理想的光電探測器。它可以在極低的光強度條件下工作，並能夠準確地測量光信號的時間信息，從而計算出光的飛行時間和目標物體的距離。此外，SPAD的緊湊尺寸和低功耗特性使其適用於便攜式和移動應用，為光達系統的集成提供了便利。
為了充分發揮SPAD在光達應用中的性能，需要對其進行精確的建模和優化設計。這涉及到對SPAD的光電特性、電學特性以及與外部條件（如溫度、光照強度等）的交互進行深入分析。
為了更深入地理解和優化SPAD的性能，我們需要對其光電特性進行詳細的分析。
光生載流子的生成和傳輸
當光子入射到SPAD的活性區域時，它們可以被半導體材料吸收，產生光生電子和空穴對。這些光生載流子在內建電場的作用下會被迅速分離，並開始在半導體材料中傳輸
量子效率：
這是一個描述SPAD對入射光子的響應能力的參數。它是指產生光生載流子的光子數與入射光子總數之比。提高量子效率意味著SPAD能夠更有效地轉換光能為電信號，這對於提高光達系統的檢測靈敏度至關重要。
載流子傳輸效率：
一旦光生載流子被生成，它們需要被有效地傳輸到SPAD的多晶區域以引發雪崩放大過程。載流子的傳輸效率取決於半導體材料的特性和SPAD結構的設計。通過優化這些參數，可以減少載流子在傳輸過程中的復合損失，從而提高SPAD的整體性能。
光生載流子到達多晶區域後，會在高電場的作用下加速並引發雪崩放大過程。這一過程對於SPAD的性能至關重要。
雪崩倍增因子：這是描述雪崩放大過程效率的一個參數，定義為雪崩過程結束時產生的載流子數與初始光生載流子數的比值。一個高的雪崩倍增因子意味著更強的信號放大，但也可能導致更高的噪聲水平。
雪崩崩潰時間：這是指從光生載流子到達多晶區域開始，到雪崩過程完全發展為一個可測量電流脈沖所需的時間。這個時間參數直接影響到SPAD的時間分辨率，對於光達系統中的距離測量精度至關重要。
SPAD的光電特性會隨著入射光的波長而變化，這一點在光達應用中尤為重要。
光譜響應：描述了SPAD對不同波長光信號的響應能力。通過優化SPAD的材料和結構，可以實現對特定波長範圍的高靈敏度響應，從而提高光達系統對特定環境條件下目標物體的檢測能力。
波長依賴性：SPAD的性能參數（如量子效率、雪崩倍增因子等）可能會隨著入射光的波長而變化。理解和建模這種依賴性對於優化光達系統的整體性能和靈敏度是非常重要的。
電學特性分析：這包括對SPAD的電容、電阻以及其他電學參數的建模。這些參數直接影響到SPAD的響應時間和計數率，對於提高光達系統的測距精度和解析度至關重要。
環境條件影響：溫度和光照強度等外部條件對SPAD的性能有著顯著的影響。因此，需要對這些因素進行建模，並設計相應的溫度補償和光強度補償機制，以確保SPAD在不同條件下都能維持最佳性能。
在Xuanyu Qian的研究中，他不僅對SPAD進行了詳細的建模分析，還提出了一系列優化策略，以提高SPAD在光達應用中的性能。
通過對SPAD在光達應用中的深入分析和優化設計，我們不僅能夠提升光達系統的性能，還能夠推動自動駕駛技術和機器視覺系統的發展，為人類創造更加智能和安全的交通工具。Xuanyu Qian的研究為我們提供了一個寶貴的參考，展示了如何通過創新的建模和設計方法，充分發揮SPAD在現代高科技應用中的潛力。
