作者：黄f 时间：2026-02-05
在激光测距中，脉冲激光二极管与雪崩光电二极管的正确搭配能够提升测距距离、精度、电池续航及整体成本效益。雪崩光电二极管的探测器材料对测距可靠性具有重要影响。根据对最远测距距离、分辨率和人眼安全的不同需求，可在III-V族化合物（如InGaAs铟镓砷基）与Si硅基雪崩光电二极管之间选择——两者各具独特的优势与局限。当然，这些探测器需与脉冲激光二极管的相应激光波长匹配，通常硅基对应905nm，铟镓砷基对应1550nm。
本文为雪崩光电二极管选型指南，在为激光测距应用选择雪崩光电二极管时，需要在两种材料之间做出选择：硅和铟镓砷。每种材料都拥有其独特的优势和不足。其中波长是材料选择的关键因素：905nm波长通常用于工业应用，而1550nm波长则是军事和高精度测绘设备的首选。硅基APD在905nm波长下工作，具有低暗电流和高有效增益，能在弱光条件下提供高信噪比和高灵敏度。然而，其性能在远距离测量、存在环境光或者恶劣环境条件下会受到限制。InGaAs雪崩光电二极管在1550nm波长下表现出色，具有卓越的微弱信号探测和远距离性能，同时对背景光和恶劣环境条件的敏感度较低。有源区面积会影响灵敏度和精度：硅基雪崩光电二极管通常拥有更大的有源区，有助于提升远距离测量的精度；而InGaAs APD的有源区较小，可实现更快的响应时间。封装设计多种多样，价格也各有不同。硅基APD得益于成熟的工艺和更大的晶圆尺寸，因而成本较低；InGaAs雪崩光电二极管则能提供满足特定需求的高性能水平。LASER COMPONENTS深谙激光测距应用的具体需求，并提供定制化解决方案以实现最佳性能。
APD各参数关联：
雪崩光电二极管选型指南必须考虑诸多APD主要参数——例如波长、有效面积、电容、上升时间、暗电流、温度与封装形式。难点在于，你无法单独调整某一参数而不影响其他参数。如下图所示，这些参数构成了一个相互关联的复杂网络。你的目标始终是找到最佳平衡点，在确保某一关键指标达到理想值的同时，避免其他性能出现显著下降。
波长：
根据系统需求和环境条件，激光测距应用主要使用两种波长的发射器：
905nm广泛应用于工业和消费类应用。通过使用硅基APD，它在保证良好测距精度的同时，可降低整体系统成本。1550nm是军事、国防及高端测绘设备的首选波长。相比905nm，它具有更远的工作距离，且在所有功率级别下均对人眼安全。此外，1550nm系统通常还能降低对太阳背景噪声的敏感度，并提升在雾、雨、灰尘等大气条件下的穿透能力。
905nm-低暗电流，高灵敏度：硅雪崩光电二极管（Si APD）的光谱响应范围覆盖从紫外到近红外区域，为系统设计（尤其是在近红外波段）提供了极大的灵活性。得益于其低暗电流水平以及能够实现极高放大增益的潜力，它们提供了高信噪比，从而在弱光条件下（甚至单光子计数）增强了灵敏度和精度。另一方面，它们对太阳背景光敏感，并且虽然能实现比铟镓砷雪崩光电二极管（InGaAs APD）更高的操作增益，但同时也会放大背景光信号。提高激光源的发射功率则可能带来超过人眼安全限值的风险。因此，考量选用铟镓砷雪崩光电二极管仍然是一个有效的选项。
1550nm-适用于各类天气的铟镓砷探测器：铟镓砷雪崩光电二极管（InGaAs APD）专门针对红外区域（通常在900nm至1700nm之间）的操作进行了优化，而硅雪崩光电二极管对1100nm以上的光无响应。因此，在需要探测微弱信号或进行远距离测量的场景中，铟镓砷探测器被视为1550nm系统的明确选择。它们对可见太阳背景光的敏感度较低，这使其在阳光强烈的户外环境中性能更佳，同时也能较好地穿透雾、雨和灰尘。
有源区：
APD主要参数有源区影响其收集和处理光信号的能力。在为测距应用选择APD时，必须始终考虑其与器件电容及其他特性（如暗电流和噪声电流）的相互依存关系。一般而言，硅APD可提供更大的有源区，这能增强整体灵敏度，并允许探测更微弱的返回信号。这带来了更高的测量精度（尤其是在更远距离上）和更宽的视场。然而，更大的有源区也会增加电容，这反过来又会增加第一级电放大电路的噪声，并减慢APD的响应时间。更大的表面积也会引入更大的泄漏电流，从而对信噪比产生负面影响。相比之下，铟镓砷APD的有源区通常较小，这带来了更低的电容、更快的响应时间和更高的带宽。因此，这些光电二极管更适合需要快速探测和测量激光脉冲的应用，但其更小的尺寸确实增加了光学对准以正确聚焦返回信号的复杂性。
暗电流与噪声电流：
APD中的暗电流指的是在没有入射光时产生的电流。它构成了本底噪声的一部分，会降低APD的信噪比，并影响其在弱光条件下的灵敏度和性能。然而，暗电流水平会因不同的APD型号和制造工艺而异，因此必须考虑每个APD型号的具体暗电流规格、应用场景中预期接收的光子数量及其期望的性能水平。除了暗电流，雪崩倍增过程本身也会产生噪声。通常，与铟镓砷APD相比，硅APD能提供更低的噪声放大，因此可以达到更高的可用增益。考虑到太阳背景光较强及其被硅APD放大的情况，使用铟镓砷APD的测距系统通常仍能达到更远的距离。
电容：
APD主要参数电容指的是器件存储电荷的能力。在雪崩光电二极管中，电容源于器件的结构和设计，包括耗尽区的厚度以及相关的结电容。雪崩光电二极管的电容会影响其对入射光强度变化的快速响应能力，这对于实现精确的激光测距至关重要。硅基雪崩光电二极管是间接带隙材料，因此需要更厚的结，所以通常表现出比铟镓砷雪崩光电二极管更高的结电容。铟镓砷是直接带隙材料，因此更薄的层就足以完全吸收光，这允许更快的响应时间和更小的信号失真。尽管如此，仍需考虑有源区与电容之间的相互依赖关系，并平衡这两个因素。
上升时间：
雪崩光电二极管的上升时间指的是其输出信号响应入射光强度变化所需的时间。高电容、较低的偏置电压或更长的波长都可能导致上升时间变慢。因此，在这些因素之间取得平衡非常重要。虽然低电容有助于实现更快的上升时间，但必须确保雪崩光电二极管仍能保持足够的灵敏度和信噪比，以实现精确的距离测量。
封装：
雪崩光电二极管的封装设计多种多样，主要取决于特定应用的需求。可选方案涵盖经典的晶体管外形金属封装、表贴器件，到带光纤尾纤的解决方案、为增大视场而集成透镜的器件，以及针对特定应用和光源调谐的集成带通滤波器。因此，很难概括硅基和铟镓砷基雪崩光电二极管在封装技术上的普遍差异。
温度：
硅基和铟镓砷基雪崩光电二极管的选择必须考虑其系统的工作温度条件。首先，为实现特定增益所需的标称工作电压会随温度变化，不同材料厚度的变化率不同，通常硅基材料因其有源区更厚，其电压变化幅度大于铟镓砷材料。暗电流和噪声电流也会随温度升高而增加，反之在低温下会降低，典型情况是每降低8-10℃减小一半。因此，在某些应用中，集成一个热电制冷器或加热器以稳定工作温度很重要，这样可以简化控制回路，从而在整个工作温度范围内保持稳定的增益，即便这会带来更高的成本。此外，在低温下，量子效率和响应光谱会向短波方向移动，这可能导致硅基雪崩光电二极管在低温环境下（例如在Nd:YAG激光波长1064nm附近）几乎无响应。可以通过某些折衷方案，使其在特定温度范围内具有准无热响应，从而进一步降低电子电路的复杂度。同时，在低温下，如果击穿电压达到穿通电压，还存在动态范围丧失的潜在风险。因此，选择合适的设计选项、封装以及相应的控制电路至关重要，以满足应用在预期环境工作条件下的要求。
价格：
成本是促使人们选择硅基雪崩光电二极管的一个主要因素。它们可以在更大尺寸的晶圆上制造，使用成熟的光刻、金属化和扩散工艺。作为一项成熟技术，硅基雪崩光电二极管能提供更低的单管成本，并具有更好的规模经济效益。另一方面，铟镓砷基雪崩光电二极管需要在更小的晶圆上采用更复杂的外延生长技术，这进一步增加了其单位成本。
来自LASER COMPONENTS的硅与铟镓砷雪崩光电二极管：
LASER COMPONENTS在雪崩光电二极管制造领域拥有数十年的专业经验，并提供涵盖所有主要参数的广泛雪崩光电二极管选型指南。波长从紫外到近红外，使用硅基或铟镓砷基雪崩光电二极管。可用的脉冲激光二极管波长850nm、905nm、1550nm，并可应要求提供其他波长。功率水平与探测效率覆盖从单光子到更高功率水平，波长范围从紫外到1550nm及以上。封装可提供多种TO型封装选项，以及陶瓷和表贴器件解决方案。
