引言

雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）作为一种高性能的光电探测器，在激光雷达（LiDAR）、光纤通信、天文观测及医疗成像等领域发挥着关键作用。APD通过内部光电流的雪崩倍增效应，实现了高灵敏度和快速响应的光信号探测。其核心工作模式分为线性模式和盖格模式，本文将详细解析这两种模式的原理及应用。

一、线性模式（Linear Mode）

线性模式，又称为非盖格模式，是APD在反向偏置电压低于其雪崩击穿电压时的工作状态。在此模式下，APD对入射光电子进行线性放大，光电流与入射光强呈正比关系。随着反向偏置电压的增加，APD的增益也随之增大，但始终保持在可控范围内。

1. 工作原理

当光子入射到APD的耗尽区时，产生电子-空穴对。在反向偏置电场的作用下，这些载流子被加速并发生碰撞电离，产生更多的电子-空穴对，从而形成雪崩倍增效应。然而，在线性模式下，偏置电压未达到雪崩击穿电压，雪崩过程可控，增益与入射光强成正比。

2. 应用特点

线性模式APD因其同时获取时间与强度信息的能力，成为三维激光成像雷达的首选。它能够准确捕捉到微弱回波信号，适用于气象、天文、军事侦测及无人驾驶等领域。此外，线性模式APD还具有响应速度快、暗电流小、不易受磁场影响等优点。

二、盖格模式（Geiger Mode）

盖格模式，也称为单光子探测模式，是APD在反向偏置电压高于其雪崩击穿电压时的工作状态。在此模式下，APD对单个光子的吸收即可引发雪崩倍增效应，输出电流迅速达到饱和，表现出极高的灵敏度。

1. 工作原理

当APD工作于盖格模式时，反向偏置电压高于雪崩击穿电压。一旦有光子被耗尽区吸收，产生的电子-空穴对在强电场中迅速发生雪崩倍增，导致APD输出电流迅速达到饱和状态。此时，APD相当于一个光子触发开关，单个光子即可使其工作状态实现开、关之间的转换。

2. 应用特点

盖格模式APD因其极高的灵敏度，理论上探测距离可达数千公里，非常适合单光子计数应用。在LiDAR系统中，盖格模式APD能够探测到单个光子，显著提高探测距离和分辨率，尤其适用于低光强条件下的远距离探测。此外，盖格模式APD还具备信噪比高、响应速度快等优势，广泛应用于军事隐形飞机、导弹系统以及自动驾驶激光雷达等领域。

三、国内外发展现状

国际上，APD焦平面的研究起步较早，发达国家依托半导体行业的领先优势，已研制出阵列规模更大、探测性能优异的APD焦平面。最新国外APD阵列器件规模已达512×512。我国在APD焦平面的研制方面虽起步较晚，但近年来也取得了显著进展。例如，西南技术物理研究所和重庆光电技术研究所等机构已研制出高性能的线性模式APD焦平面阵列，并在三维激光雷达等领域得到广泛应用。

结语

APD作为高性能光电探测器，其线性模式和盖格模式各具特色，广泛应用于不同领域。线性模式APD以其同时获取时间与强度信息的能力，成为三维激光成像雷达的首选；而盖格模式APD则以其极高的灵敏度，在远距离探测和单光子计数应用中展现出巨大潜力。随着技术的不断进步，APD将在更多领域发挥重要作用。

参考文献

[1] 于跃. APD阵列探测器读出电路的设计与实现[D] . 电子科技大学, 2024.

[2] 刘学邦. 基于线性模式APD的阵列式激光雷达构架及单元电路研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2020.

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