近年來，硅光子（Silicon Photonics）技術(shù)快速興起，成為光通信與光電集成領(lǐng)域的熱門趨勢。硅光子利用成熟的硅半導(dǎo)體制程，在芯片上制作光波導(dǎo)、調(diào)制器、檢測器等光學(xué)組件，以實現(xiàn)高密度、低成本的光電融合。這項技術(shù)被視為連接電子與光子世界的橋梁，可大幅提升下一代芯片的數(shù)據(jù)傳輸速度與效率。例如在高速數(shù)據(jù)中心、5G網(wǎng)絡(luò)和光學(xué)計算等應(yīng)用中，硅光子芯片能提供低功耗且高帶寬的光信號處理能力，預(yù)期將深刻影響未來的數(shù)字連接。 在硅光子系統(tǒng)中，用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光檢測器是關(guān)鍵組件之一。其中雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode，簡稱 APD）因其高增益和高靈敏度，成為硅光子光接收端的核心器件。 與傳統(tǒng) PIN 光二極管相比，APD 能通過內(nèi)部載子倍增（雪崩增益）顯著提高光電轉(zhuǎn)換增益，使其在極低光強(qiáng)下也能產(chǎn)生可觀測的電流。 這使APD廣泛應(yīng)用于高靈敏度與高速響應(yīng)場合，如光纖通信、激光測距（LiDAR）、光學(xué)雷達(dá)、單光子檢測以及各種先進(jìn)光傳感器中。 APD 的存在，為硅光子技術(shù)帶來了極低光功率檢測的能力，提升了系統(tǒng)整體性能和應(yīng)用范圍。例如，在電信波長的光收發(fā)模塊中，將鍺或砷化鎵等材料的 APD 集成在硅光子芯片上，可構(gòu)成高靈敏度接收器，用于長距離高速光通信；在智能手機(jī)的 3D 感測和 LiDAR 中，硅基 APD 陣列可提升對遠(yuǎn)距目標(biāo)的探測范圍和精度。 然而，APD 的優(yōu)異性能也伴隨復(fù)雜的物理機(jī)制和測試挑戰(zhàn)。為了充分發(fā)揮 APD 在硅光子系統(tǒng)中的作用，工程師和研究人員必須深入了解并監(jiān)控APD的各項關(guān)鍵性能參數(shù)，包括外部量子效率（External Quantum Efficiency, EQE）、光譜響應(yīng)（Spectral Response, SR）、電流-電壓特性曲線（I–V Curve）、噪聲等效功率（Noise Equivalent Power, NEP）、比探測率（Specific Detectivity, D*）、以及噪聲隨頻率的行為，如閃爍噪聲（Flicker Noise, 1/f Noise）、約翰遜噪聲（Johnson-Nyquist Noise）和肖特基噪聲（Shot Noise）等。 ? 這些參數(shù)直接決定了APD作為光電探測器的效能上限，進(jìn)而影響整個硅光子系統(tǒng)的信號質(zhì)量和性能表現(xiàn)。 ? 我們將在下文逐一探討這些指標(biāo)的物理意義、對系統(tǒng)的影響、典型的測試方法與應(yīng)用價值，同時介紹如何利用先進(jìn)的測試設(shè)備（例如 Enlitech 光焱科技的 APD-QE 量子效率與參數(shù)分析系統(tǒng)）有效而精確地表征APD的各項性能，提升研發(fā)效率。 來源: https://www.glgyzn.com/product/34

雪崩光電二極管（APD）的工作原理與性能優(yōu)勢

APD 是一種類似于光電二極管的半導(dǎo)體光檢測器，但具有"內(nèi)部增益"機(jī)制。當(dāng)光子射入APD的光吸收區(qū)時，被吸收的光子會產(chǎn)生電子-空穴對（光生載子）。在APD施加的強(qiáng)大反向偏置電場下，這些初級載子被加速并碰撞晶格原子，觸發(fā)碰撞電離（Impact Ionization），進(jìn)而產(chǎn)生更多二次電子-空穴對。如此的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)稱為雪崩倍增效應(yīng)，導(dǎo)致單個入射光子激發(fā)的電流被放大數(shù)十倍乃至上百倍。 換言之，APD 能在內(nèi)部將光產(chǎn)生的電流 M 倍增益（增益 M 可能從幾倍到上百倍，取決于材料與偏置）。這種內(nèi)建放大讓APD即使在極微弱的光信號下，仍能產(chǎn)生超過噪聲水平的響應(yīng)信號。 與沒有內(nèi)部增益的 PIN 光二極管相比，APD 的高增益可以在前級不使用電子放大器的情況下提高信噪比。例如，濾除同樣大小的噪聲后，APD對弱光的信號輸出遠(yuǎn)高于PIN二極管，從而實現(xiàn)更高的靈敏度。正如濱松公司技術(shù)說明所指出："APD內(nèi)部倍增信號的能力降低了噪聲影響，實現(xiàn)比PIN二極管更高的信噪比，同時仍保持優(yōu)良的線性度"。 因此在光纖通信接收端，采用APD可以比PIN檢測器獲得更低的接收靈敏度（通常改善數(shù)個dB），延長無中繼傳輸距離。在LiDAR中，APD的增益讓系統(tǒng)得以探測更遠(yuǎn)距離或更暗的目標(biāo)。由于這些優(yōu)勢，APD已成為硅光子領(lǐng)域各種高靈敏光接收模塊的首選探測器。 當(dāng)然，APD的雪崩增益并非免費午餐：雪崩過程本身具有隨機(jī)性，會引入額外噪聲（通常以過剩噪聲因子F來表征）。此外APD需要高偏置靠近擊穿點才能運作，其暗電流和溫度穩(wěn)定性等也需關(guān)注。為在系統(tǒng)中有效應(yīng)用APD，工程師必須綜合考慮各項參數(shù)，找到靈敏度與噪聲、速度之間的最佳平衡。 因此，深入理解APD的關(guān)鍵性能指標(biāo)并進(jìn)行準(zhǔn)確測量，是硅光子研發(fā)中不可或缺的一環(huán)。 下面我們將探討APD的主要性能參數(shù)，闡述其物理意義和對系統(tǒng)性能的影響，并說明如何通過適當(dāng)?shù)臏y試手段獲取這些參數(shù)。在每個部分，我們也會介紹先進(jìn)測試系統(tǒng)（如Enlitech光焱科技的APD-QE）在相關(guān)測量上的技術(shù)優(yōu)勢與應(yīng)用價值，說明現(xiàn)代自動化測試設(shè)備如何協(xié)助研發(fā)人員更有效地表征APD性能。 量子產(chǎn)率是描述材料將入射光子轉(zhuǎn)化為光子的能力的量。量子產(chǎn)率計算每秒有多少發(fā)射光子除以吸收光子。 ?

外部量子效率（EQE）與光譜響應(yīng)（SR）

外部量子效率（External Quantum Efficiency, EQE）描述光電器件將入射光子轉(zhuǎn)換成電荷載流子的效率。更正式的定義是：在特定波長下，每單位時間由探測器產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比。 EQE通常以百分比表示，例如EQE = 80%表示每100個入射光子中有80個轉(zhuǎn)化為有用電荷被收集形成光電流。對APD而言，EQE主要取決于入射光在敏感區(qū)的吸收率和載子收集效率。如果有些光子穿透或被反射未產(chǎn)生電子-空穴對，或產(chǎn)生的載子未成功漂移到增益區(qū)，則會降低外部量子效率。 EQE 通常隨波長而變化，因此我們關(guān)注光譜響應(yīng)（Spectral Response, SR），亦即 EQE 或響應(yīng)度隨波長的函數(shù)曲線。光譜響應(yīng)可用響應(yīng)率（Responsivity）來量化，定義為探測器的光電流對應(yīng)入射光功率的比值，單位為 A/W。響應(yīng)率與量子效率密切相關(guān)：

其中 q 為電子電荷，h 為普朗克常數(shù)，c 為光速，λ 為波長。因此，在給定波長下，較高的EQE意味著較高的光電流響應(yīng)率。 光譜響應(yīng)曲線通常用于描述探測器對不同波長光的敏感程度及有效波長范圍。例如，硅材料的APD在可見光至近紅外（約300nm–1100nm）范圍內(nèi)有響應(yīng)，而鍺或InGaAs材料的APD則覆蓋電信波長（~1310nm、1550nm）甚至更長的紅外波段。

物理意義與影響

外部量子效率直接反映APD對光子的利用能力，是衡量探測器"吃進(jìn)"光子的本領(lǐng)。高EQE意味著大部分入射光子都被轉(zhuǎn)化為電信號，這對于光通信接收端或感測應(yīng)用至關(guān)重要——更高的EQE能在相同入射光功率下產(chǎn)生更強(qiáng)的電流信號，提高信噪比和靈敏度。 若APD在目標(biāo)波長下的EQE較低，則系統(tǒng)需要更強(qiáng)的光輸入才能達(dá)到所需信號水平，這可能要求發(fā)射端提高光功率或在接收端增加后續(xù)電子放大，從而增添功耗和成本。 同樣地，光譜響應(yīng)告訴我們APD對不同顏色光的偏好。如果系統(tǒng)工作于多個波段（例如DWDM多波長通信或環(huán)境光感測），APD的光譜響應(yīng)是否平坦將影響各波長信號的均衡接收。 如果在某些波長存在響應(yīng)下降或"盲區(qū)"，設(shè)計者需采取補償措施（如增加該波長的光功率或選用不同材料的探測器）。 另外，在光譜分析或成像應(yīng)用中，探測器的光譜響應(yīng)曲線常需要進(jìn)行校正，以確保在整個波段內(nèi)測量的準(zhǔn)確性。

測試方法

測量EQE/SR通常使用單色光源掃描特定波長范圍，記錄對應(yīng)的光電流，再結(jié)合光功率計校準(zhǔn)入射光強(qiáng)度來計算效率。 這需要寬波長且穩(wěn)定可調(diào)的光源（如氙燈配單色儀、可調(diào)激光等）、高靈敏度的電流測量裝置，以及為防止環(huán)境光和反射影響的暗室環(huán)境。特別是當(dāng)測量微小面積的APD（例如幾十微米尺寸的光檢測像素）時，傳統(tǒng)聚焦光斑法在不同波長下的色差會導(dǎo)致焦點位置偏移數(shù)百微米乃至毫米。 這意味著同一組光學(xué)配置難以將所有波長的光精確聚焦到一個幾微米大小的區(qū)域，從而造成部分波長照射不到器件或者入射光通量不足，最終導(dǎo)致測得的全光譜QE曲線不準(zhǔn)確。 為克服這一挑戰(zhàn)，專業(yè)的量子效率測試系統(tǒng)采用平行均勻光束照射樣品，使不同波長的光在器件處都具有均勻的光強(qiáng)分布和一致的照射區(qū)域。 例如，Enlitech光焱科技的APD-QE系統(tǒng)利用獨家專利的傅里葉均光光學(xué)組件產(chǎn)生高均勻度單色光斑，可在10×10 mm范圍內(nèi)實現(xiàn)小于1%的光強(qiáng)不均勻度（在470 nm、530 nm、630 nm、850 nm等波長均如此）。下圖展示了不同波長下光斑強(qiáng)度分布的均勻性： 不同波長下APD-QE系統(tǒng)產(chǎn)生的均勻光斑強(qiáng)度分布熱圖，顯示在5×5mm區(qū)域內(nèi)光強(qiáng)不均勻度 <1%，確保各波長對微小探測器的均勻覆蓋。 ? 通過這種符合 ASTM E1021 國際標(biāo)準(zhǔn)輻照模式的均勻光源來測量微米級組件的光譜響應(yīng)，可避免焦點偏差帶來的誤差，確保得到真正反映器件本質(zhì)的EQE曲線。 ? 此外，一些先進(jìn)系統(tǒng)還具有多波長同測能力，例如內(nèi)建多個激光/LED光源或快速掃描單色儀，使得從紫外到近紅外甚至中紅外的光譜響應(yīng)都可在一套裝置上完成測試。 ? APD-QE 即是一個范例：其測量光譜范圍覆蓋 300 nm 到 1100 nm，并可延伸至 2500 nm，以滿足不同材料探測器的需求。更重要的是，該系統(tǒng)配備全光譜自動校正功能，通過內(nèi)建校正探測器和標(biāo)準(zhǔn)光源，確保各波長光功率的準(zhǔn)確可溯源，免除了使用者手動校正的繁瑣。 值得一提的是，Enlitech光焱科技APD-QE獨有的定光子數(shù)（Constant Photon Flux）控制技術(shù)（PEM 技術(shù)）為光譜響應(yīng)測試提供了新的精確度。一般的光譜掃描中，不同波長的光源輸出功率可能差異很大（例如氙燈經(jīng)單色儀后在綠光區(qū)可能比紅外區(qū)強(qiáng)數(shù)倍），即使經(jīng)過功率校正，各波長的入射光子數(shù)也往往不同。如果器件的響應(yīng)具有非線性或飽和效應(yīng)，或者我們希望嚴(yán)格比較不同波長下單光子觸發(fā)的響應(yīng)差異，那么保持每個波長的入射光子流率相同就非常重要。APD-QE 的定光子數(shù)模式允許用戶調(diào)控每一個波長的單色光強(qiáng)度，使得各波長照射在樣品上的光子數(shù)完全相等，再進(jìn)行測量。 ? 這項技術(shù)在其他廠商的QE系統(tǒng)中是無法實現(xiàn)的。下圖顯示了在普通模式（灰線）下氙燈光源隨波長的光譜強(qiáng)度起伏，以及在定光子數(shù)模式（橙線）下經(jīng)調(diào)控后，各波長輸出的光子數(shù)都被維持在相同水平（例如每秒每平方微米15,000個光子）： Enlitech光焱科技APD-QE系統(tǒng)的定光子數(shù)控制：灰色曲線為氙燈單色光源的原始光譜分布，橙色曲線為開啟定光子數(shù)（CP）模式后各波長調(diào)節(jié)為相同光子流率（例：15,000 photons/s/μm2）的結(jié)果。在CP模式下，各波長光子數(shù)變異 <1%。 ? 通過這種方式，可以精細(xì)研究APD在不同光子入射率下的響應(yīng)差異，或確保在整個光譜范圍內(nèi)測量條件的一致，提升光譜響應(yīng)測試的嚴(yán)謹(jǐn)性和可信度。 ?

精確掌握APD光譜響應(yīng)：APD-QE雙光學(xué)引擎技術(shù)

Avalanche Photodiode（APD）作為硅光子系統(tǒng)中的高性能光接收組件，往往具有極小的有效光感應(yīng)面積（通常僅數(shù)百微米甚至更小），因此在實際測量APD性能參數(shù)時，最常遇到的挑戰(zhàn)之一，便是如何將光源精確且一致地投射于微小的組件上。 為解決此問題，Enlitech光焱科技的APD-QE系統(tǒng)特別搭載了獨家的"雙光學(xué)引擎"設(shè)計，可在兩種模式間快速進(jìn)行切換，全面滿足不同APD器件的測試需求： （1）Irradiance Mode：高度均勻光斑，符合ASTM國際規(guī)范 APD-QE第一種光學(xué)引擎為符合國際ASTM E1021標(biāo)準(zhǔn)的"照度模式（Irradiance Mode）"，這種模式專為高精密且微小尺寸的APD檢測而設(shè)計。 通過內(nèi)建的專利傅里葉均勻化光學(xué)模塊，可在5 mm × 5 mm區(qū)域內(nèi)達(dá)到光強(qiáng)不均勻度低于1%的極佳水平，徹底克服了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)在不同波長下產(chǎn)生的色散色差（Chromatic Aberration）和光斑對位誤差問題。 所謂色散色差，是指當(dāng)傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)使用單色儀掃描不同波長時，光焦點位置會因波長變化而略有偏移，使微米級組件無法精準(zhǔn)對焦。 而Enlitech光焱科技APD-QE系統(tǒng)通過專業(yè)光學(xué)設(shè)計，能在各種波長下提供極高的均勻光強(qiáng)與一致光斑位置。 這種優(yōu)勢確保無論測試波長落在可見光還是近紅外（300 nm~2500 nm）甚至中紅外（可延伸至3000 nm）區(qū)域，皆能精確地測量APD組件的EQE和SR等性能指標(biāo)，避免人為誤差或設(shè)備光學(xué)偏差的干擾，充分反映器件本質(zhì)表現(xiàn)。 （2）Falcon光學(xué)引擎：微米級超小光斑，宛如"手術(shù)刀"般精準(zhǔn)測量 除了Irradiance Mode外，APD-QE系統(tǒng)更特別搭載了專為微小尺寸（500 μm 以下）APD設(shè)計的Falcon高光強(qiáng)光學(xué)引擎。 與前者的均勻光場不同，F(xiàn)alcon模式主打極小、極精密的高光強(qiáng)功率模式光斑，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定下光斑直徑僅約100 μm（且可進(jìn)一步縮小），可以如同"手術(shù)刀"般精準(zhǔn)地將光束精確投射于APD組件極小的有效收光區(qū)內(nèi)，完全避免多余光線落在組件之外的無效區(qū)域。 Falcon引擎另一項關(guān)鍵優(yōu)勢便是超高的光強(qiáng)密度。由于APD測試通常需精確區(qū)分光電流與背景暗電流及各種系統(tǒng)噪聲，而通過Falcon極小面積、高密度的光束，可大幅提高入射區(qū)域的光功率密度，使得APD的光電流信號明顯增加，與背景噪聲區(qū)隔度極大提升。 這不僅讓使用者在測量EQE、SR曲線時能更加準(zhǔn)確，對低QE器件或微弱響應(yīng)的材料，更能提高信號與背景之間的差異，避免信噪比不足導(dǎo)致的測量誤差。 以硅光子芯片上的小面積鍺基APD為例，若使用傳統(tǒng)光源，可能因光斑大于組件有效面積，或光功率不足，導(dǎo)致信號微弱、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；但通過APD-QE的Falcon模式，研究者可以輕松地完成高信噪比的EQE曲線測量，迅速獲得精確可靠的數(shù)據(jù)，協(xié)助判斷組件設(shè)計與制程優(yōu)劣，進(jìn)一步提升產(chǎn)品開發(fā)效率與成功率。

I–V 特性曲線與擊穿電壓

電流–電壓特性曲線（I–V Curve）是描述APD在不同偏置下電流行為的重要曲線。通常我們關(guān)心兩種狀態(tài)下的I–V曲線：暗電流（沒有光照時的漏電流）隨偏置的變化，以及在固定光照下光電流隨偏置的變化。APD 的 I–V 曲線具有典型的二極管反向偏置特性：在低偏置時，暗電流主要由材料的本征漏電流決定，通常隨偏置上升略有增加；當(dāng)偏置提高接近某一臨界值時，電流會急劇增大，出現(xiàn)雪崩式上升，這個臨界偏置稱為擊穿電壓（Breakdown Voltage）。 擊穿點附近，少量光生電流也會被放大數(shù)百倍，導(dǎo)致光照下的I–V曲線同樣在擊穿電壓處急劇上升。對于特定APD組件而言，其擊穿電壓是固定的（受材料和結(jié)構(gòu)影響，不同APD類型可能從幾十伏到上百伏不等），因此通常將工作偏置選在略低于擊穿點的范圍，以取得高增益同時避免不受控的擊穿。 除了擊穿電壓，I–V曲線還能提供增益和暗電流等信息。通過比較有光照與無光時電流的差異，可計算出在不同偏置下的光電流增益 M。 例如在低偏置區(qū)（無雪崩增益，可視為M≈1）測得一微瓦光功率產(chǎn)生的電流，與在接近擊穿偏置時同樣光功率產(chǎn)生的電流相比，其比例即為增益倍數(shù)。 一般而言，APD的增益隨偏置升高而增加，但在接近擊穿時增益趨于無窮大而失控，此時APD將進(jìn)入雪崩擊穿狀態(tài)，不再適合作為線性探測器使用。工程上常選取增益在10倍、50倍或適當(dāng)范圍內(nèi)的偏置作為正常工作點，以平衡增益和噪聲。

物理意義與影響

I–V曲線刻畫了APD的工作區(qū)間和安全范圍。擊穿電壓是設(shè)計電路時必須考慮的參數(shù)：讀出電路需提供高于此電壓的偏置才能驅(qū)動APD達(dá)到所需增益，但又不可超過太多以免器件永久性損壞或產(chǎn)生不穩(wěn)定噪聲。 不同APD器件擊穿電壓差異很大，例如硅APD常見擊穿在100–200 V以上，而InGaAs APD可能在數(shù)十伏左右，因此對應(yīng)的偏置電源和隔離措施都需調(diào)整。 暗電流則直接影響系統(tǒng)靈敏度：在工作偏置下，若APD的暗電流較高（可能來自表面漏電或材料缺陷），不但形成直流偏移，也會引入顯著的肖特基噪聲（因暗電流產(chǎn)生的隨機(jī)散粒噪聲，見下節(jié)），降低可檢測的最低光功率。 隨著偏置升高，暗電流往往隨增益被放大（例如體漏電流I_db在增益M下等效為I_db·M，被加到總漏電中），因此選擇工作點時要權(quán)衡增益帶來的信號增強(qiáng)與暗電流放大的噪聲懲罰。 此外，I–V曲線的線性程度也很重要——理想上，光電流與入射光強(qiáng)應(yīng)成正比，但在接近擊穿區(qū)工作時，APD可能出現(xiàn)非線性現(xiàn)象，即輸出電流不再與光功率線性對應(yīng)（例如光功率較大時，由于空間電荷效應(yīng)，增益會下降，導(dǎo)致曲線趨平）。 這會影響系統(tǒng)對強(qiáng)光信號的測量準(zhǔn)確性。因此了解APD I–V曲線的形狀，可幫助我們確定線性動態(tài)范圍。

測試方法

測量APD的I–V特性需要可調(diào)高壓電源和低電流測量裝置（如皮安電流計或源測量單元 SMU）。通常將APD置于暗盒中，逐步掃描反向偏置，同步測量電流，記錄暗電流隨電壓的變化曲線。 同樣地，在給定恒定光照（可用穩(wěn)定激光二極管）下重復(fù)偏置掃描，得到光照下的I–V曲線。通過比較，可明確擊穿電壓位置及增益曲線。 如果配合快速測量和高分辨率電流讀取，可檢測到擊穿電壓附近電流的細(xì)微轉(zhuǎn)折點，以更加準(zhǔn)確地判定擊穿點。 值得注意的是，高壓掃描存在潛在風(fēng)險（如器件過熱擊穿），因此測試時通常會從低到高慢慢增加偏置，并在接近預(yù)期擊穿點時縮小步進(jìn)，必要時加裝限流電阻以保護(hù)器件安全。Enlitech光焱科技APD-QE等先進(jìn)測試系統(tǒng)內(nèi)建了I–V掃描功能：通過軟件即可自動控制SMU執(zhí)行暗態(tài)與光照態(tài)的I–V掃描，并可同時顯示多組曲線以方便比較。 由于此類系統(tǒng)將I–V測量與光源控制整合，甚至允許同步記錄各偏置點下的光電流增益，使用者可以一鍵取得暗電流、光電流和增益隨偏置的完整關(guān)系曲線，極大地方便了APD特性的評估。

靈敏度指標(biāo)：NEP 與 D*

在評價光檢測器的弱光探測能力時，噪聲等效功率（Noise Equivalent Power, NEP）和比探測率（Specific Detectivity, D*）是兩個常用的關(guān)鍵指標(biāo)。 簡單來說，NEP 表示探測器在給定噪聲水平下所能剛好辨識出的最小光功率；而 D* 是NEP的倒數(shù)（經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后），用于比較不同尺寸或不同帶寬探測器的本征探測能力。 噪聲等效功率（NEP）：NEP 定義為使探測器輸出信號等于自身噪聲輸出（信噪比為1）時所需的輸入光功率。通常NEP的單位為W/√Hz（表示在1 Hz帶寬下的等效功率），NEP越小，代表探測器越敏感，能在極低光功率下區(qū)分出信號高于噪聲背景。例如

表示每√Hz帶寬內(nèi)1皮瓦級的光就足以與噪聲相當(dāng)。NEP 綜合了探測器的響應(yīng)度和噪聲特性：定量地，

其中 i_n 是探測器輸出的等價噪聲電流（A/√Hz），R 是響應(yīng)度（A/W）。響應(yīng)度越高（探測同樣光功率產(chǎn)生更多電流），或噪聲電流越低，都有助于降低NEP、提升靈敏度。 比探測率（D）**：D 常用于不同面積或不同類型探測器靈敏度的比較。由于較大面積的探測器收集光子多，有利于降低NEP，但同時大面積往往伴隨較大本底噪聲，因此需要一個標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)。D* 定義為在1 Hz帶寬、1平方厘米有效受光面積規(guī)范下的探測器探測度，其與NEP的關(guān)系為

其中 A 為探測器感光面積，Δf 為帶寬（通常取1 Hz）。因此本質(zhì)上

（在規(guī)范條件歸一化后）。D* 的單位為"Jones"（等價于 cm·√Hz/W）。D越大表示探測器越敏感。例如，熱探測器的D可能在10^8–10^10量級，而光電二極管/雪崩二極管在可見光的D*常達(dá)10^12–10^14量級甚至更高，這反映出半導(dǎo)體光電探測具有更高的本征靈敏度。

物理意義與影響

NEP 是直接與系統(tǒng)應(yīng)用相關(guān)的參數(shù)——若我們知道APD的NEP，我們就能估算在給定帶寬內(nèi)最小可探測的光功率。 舉例而言，在光通信接收器中，為了實現(xiàn)某個誤碼率要求，需要接收端在數(shù)GHz帶寬內(nèi)能可靠分辨出微瓦甚至納瓦級的光信號，那么APD模塊的NEP必須低于對應(yīng)值才能滿足要求。 同樣地，在LiDAR系統(tǒng)中，目標(biāo)物距離和反射率決定了返回光的強(qiáng)度，APD的NEP將限制可探測的最遠(yuǎn)距離——NEP越低，意味著系統(tǒng)能檢測到越微弱的回波光，換算成距離就越遠(yuǎn)。D* 則常用于科研比較，例如評估新型探測材料（如鉛鹵鈣鈦礦、量子點、2D材料等）時，以D與已知的商用探測器進(jìn)行對比，可以直觀顯示其在探測性能上的優(yōu)劣。對系統(tǒng)設(shè)計者而言，D高的探測器意味著不需很大面積就能達(dá)到足夠靈敏度，有助于縮小器件尺寸和電容，進(jìn)而提高速度；反之，若使用D較低的探測技術(shù)，可能需要做大面積來收集光，卻可能增加電容限制帶寬。 因此NEP和D綜合了響應(yīng)與噪聲兩方面，直接影響系統(tǒng)在靈敏度-速度-面積之間的取舍。

測試方法

傳統(tǒng)上，NEP的獲取需要先測量探測器在目標(biāo)波長下的響應(yīng)度R（例如通過前述的EQE測試得到），同時測量探測器的輸出噪聲電流譜密度 i_n（A/√Hz）。然后

其中噪聲電流通常由探測器在暗態(tài)下的電流波動決定，可使用電流放大器加FFT頻譜分析儀測得特定頻率或頻帶內(nèi)的噪聲功率，再換算為等價的電流密度。然而此方法較為繁瑣，需要多步測量和計算。一些現(xiàn)代測試設(shè)備已能直接測出NEP和D*。 例如APD-QE系統(tǒng)將光源掃描與低噪聲電流讀取結(jié)合，軟件可以實時計算對應(yīng)每個波長的NEP與D*。實務(wù)中，為測試NEP/D*，我們會在暗室中將APD偏置至工作點，使用頻譜分析儀獲取暗電流的噪聲譜（特別關(guān)注1 Hz帶寬附近的密度），同時用已校正的單色光弱光照射器件測量響應(yīng)度。 由于NEP極小，測試環(huán)境必須非常安靜并屏蔽噪聲源（如電磁干擾）。APD-QE 這類設(shè)備的優(yōu)勢在于將這套流程自動化：在測量完光譜響應(yīng)后，立即自動進(jìn)行暗態(tài)噪聲讀取，計算出全光譜范圍內(nèi)各波長的NEP與D*曲線。這不僅減輕了使用者計算負(fù)擔(dān)，也降低了人工錯誤，提高數(shù)據(jù)的可靠性。

噪聲來源與頻率響應(yīng)：閃爍噪聲、約翰遜噪聲與肖特基噪聲

任何光電探測器在運作時都會有各種內(nèi)在的電子噪聲，對APD而言尤其如此。主要的噪聲來源包括： ? 肖特基噪聲（Shot Noise）：由載流子的離散性引起的統(tǒng)計波動噪聲。 ? 熱噪聲/約翰遜噪聲（Thermal or Johnson-Nyquist Noise）：由電阻中電子熱運動導(dǎo)致的隨機(jī)電壓/電流擾動。 ? 閃爍噪聲（Flicker Noise）：頻譜密度與頻率成反比的低頻噪聲，又稱1/f噪聲。 ? 產(chǎn)生-復(fù)合噪聲（Generation-Recombination Noise）：由載子在半導(dǎo)體中的捕獲與釋放動力學(xué)引起，通常表現(xiàn)為特定頻率處的擾動。 ? 倍增噪聲（Excess Avalanche Noise）：雪崩倍增過程引入的額外隨機(jī)增益波動，可視為肖特基噪聲被放大的結(jié)果。 其中前三種是較常討論的噪聲類型，我們逐一說明： 肖特基噪聲（Shot Noise）：肖特基噪聲來源于電流是由單個電子（電荷子）構(gòu)成的事實。電流并非連續(xù)平滑地流動，而是許多電子在隨機(jī)時間通過的統(tǒng)計結(jié)果。 因此即使光照強(qiáng)度恒定，探測器中的光電流在微觀上也會有隨機(jī)起伏。對于平均值為I的直流電流，其肖特基電流噪聲密度約為

其中 q 是單位電荷，Δf是觀察帶寬。肖特基噪聲的特點是頻譜呈白噪聲（與頻率無關(guān)的平坦譜），在整個電子帶寬內(nèi)皆存在。 APD中的肖特基噪聲包括光生電流的散粒噪聲和暗電流的散粒噪聲兩部分。由于APD將光生電流放大M倍，連帶地光生肖特基噪聲也被放大。 同時，暗電流中的體漏電流部分也會被增益放大，成為主要的噪聲來源之一。實際上，在大多數(shù)APD應(yīng)用中，暗電流所引致的肖特基噪聲往往主導(dǎo)了整體噪聲——因此降低APD暗電流（例如通過優(yōu)化制程或冷卻器件）對提升靈敏度非常有效。 Shot Noise 是探測器在高頻段（通常數(shù)百Hz以上）最主要的本底噪聲來源，也被視為光電探測的根本量子極限（因其無法完全消除，只能通過增加平均光信號或縮短帶寬改善信噪比）。 約翰遜噪聲（Johnson-Nyquist Noise）：約翰遜噪聲是由電阻熱擾動引起的白噪聲。在任何有電阻的電路中（包括APD的等效串聯(lián)電阻、偏置電阻、前級放大器反饋電阻等），都存在由電子熱運動產(chǎn)生的隨機(jī)電壓電流波動。 其均方值與電阻值R、溫度T及帶寬成正比，頻譜密度為平坦的：

（表示為等效電流噪聲），其中 k_B 為玻爾茲曼常數(shù)。對APD本身而言，若不考慮外電路，只在其p-n結(jié)內(nèi)部，約翰遜噪聲主要來自寄生電阻或結(jié)電導(dǎo)。 但實務(wù)上讀出APD信號必然涉及外部電阻（如偏置電路中的限流電阻、TIA放大器反饋電阻等），因此約翰遜噪聲通常由讀出電路決定。 約翰遜噪聲同樣是白色頻譜，并且獨立于電流大小——也就是說，即便沒有光（I=0）或不工作（無偏置），只要處于T>0K環(huán)境，電路里就存在約翰遜熱噪聲。 對于APD接收器，約翰遜噪聲一般在高頻區(qū)也是恒定背景，與肖特基噪聲一起決定了高頻端的噪聲底限。降低約翰遜噪聲的方法包括減小相關(guān)電阻值、降低溫度或者縮小帶寬等。 閃爍噪聲（1/f Noise）：閃爍噪聲是一種在低頻段顯著的噪聲，特征是其功率譜密度與頻率成反比（約為1/f^α, α接近1）。在圖形上表現(xiàn)為頻譜隨頻率降低而急劇升高，通常在幾十Hz或更低頻率開始變得突出。 1/f 噪聲的物理起因相當(dāng)復(fù)雜，多與材料中的缺陷、雜質(zhì)陷阱有關(guān)。于半導(dǎo)體組件中，1/f噪聲常源于載流子被缺陷能級捕獲與釋放所造成的電導(dǎo)波動——不同能級的陷阱具有不同的特征時間常數(shù)，綜合起來統(tǒng)計分布可產(chǎn)生近似于1/f的連續(xù)頻譜。 APD中，1/f噪聲主要在偏置電流存在時出現(xiàn)，電流越大（包括光電流和暗電流）往往導(dǎo)致1/f噪聲更明顯。 因此在直流或低頻應(yīng)用（例如某些環(huán)境光感測器需要偵測緩慢變化的光強(qiáng)），APD的1/f噪聲可能成為限制因素。 與PIN二極管相比，APD在高增益偏置下可能引入額外的低頻噪動，設(shè)計電路時需注意濾除極低頻成分或進(jìn)行背景扣除。 除了上述噪聲之外，APD特有的倍增噪聲值得一提。由于雪崩倍增是一種隨機(jī)過程，每個光生載子引發(fā)的次級載子數(shù)量不定，增益M本身有統(tǒng)計分布（通常以過剩噪聲因子F量化其方差）。倍增噪聲使得APD的總輸出噪聲比單純把PIN噪聲乘以M稍高一些，即F ≈ M^2時為Poisson極限，優(yōu)秀的APD可以通過材料工程將F壓低（理想情況F接近1，稱為"無噪聲"雪崩）。 最新研究也著力于降低APD的倍增噪聲，例如摻入鍺化合物以抑制統(tǒng)計波動。

對系統(tǒng)的影響

噪聲頻譜特性決定了APD在不同應(yīng)用頻段的表現(xiàn)。對于高速數(shù)Gbps的光通信接收，信號頻率高（MHz–GHz），因此1/f噪聲幾乎可以忽略，主要噪聲是白噪聲（約翰遜+肖特基），需要確保APD的暗電流和電路熱噪聲足夠低，使在預(yù)定碼率帶寬內(nèi)NEP達(dá)標(biāo)。而在需要測量穩(wěn)態(tài)或低頻光信號的應(yīng)用（如光學(xué)穩(wěn)頻、光學(xué)傳感），APD的1/f噪聲將限制信號的穩(wěn)定分辨能力。 例如，在用APD監(jiān)測激光強(qiáng)度穩(wěn)定度時，長時間漂移和1/f噪聲可能掩蓋真實變化。因此研發(fā)人員需針對應(yīng)用頻率范圍，選擇噪聲特性合適的APD并設(shè)計匹配的讀出電路。 通常，降低溫度可以同時減少暗電流（降肖特基噪聲）和熱噪聲，但對1/f噪聲影響不一定明顯，需要通過工藝控制缺陷。 還有一點是，APD的噪聲不僅來自器件本身，也受到后續(xù)放大電路的影響，完整的接收機(jī)噪聲分析要將前置放大器的噪聲折合到輸入看待。如果APD內(nèi)阻抗較高且容量較大，會使得放大器的噪聲更難抑制。因此從系統(tǒng)角度，要綜合考慮APD+放大器的整體噪聲頻譜，才能預(yù)測整機(jī)靈敏度。

測試方法

測量APD的噪聲頻譜需要高靈敏度的噪聲分析裝置。通常做法是將APD偏置至工作點，遮光（測暗噪聲）或在穩(wěn)定恒定光照下（測總噪聲），使用低噪聲前置放大器將其電流噪聲轉(zhuǎn)換成電壓，再由頻譜分析儀或FFT分析工具取得從極低頻到幾十kHz甚至MHz范圍的電流噪聲密度 vs 頻率曲線。 結(jié)果常以對數(shù)-對數(shù)圖表示，可清楚看出1/f區(qū)和白噪聲區(qū)，以及在某些頻率是否有明顯的突出（例如共振或周期干擾）。 為避免外界干擾，這類測試通常在屏蔽良好的暗箱中進(jìn)行，并多次取樣平均提高信噪比。值得慶幸的是，現(xiàn)代APD測試系統(tǒng)（如APD-QE）已將噪聲頻譜測量納入自動流程。該系統(tǒng)通過整合低噪聲放大模塊和掃頻分析，在軟件界面即可生成探測器的頻率-噪聲電流圖（以 A/√Hz 對 Hz）。 這意味著使用者按下一個按鍵，就能獲得例如1 Hz–100 kHz范圍內(nèi)APD噪聲隨頻率的曲線，直觀看出1/f噪聲在何處成為主導(dǎo)、白噪聲平臺的水平，以及任何異常噪聲峰值。 通過與光譜響應(yīng)測試結(jié)合，還可以計算在不同頻率下APD對應(yīng)的NEP，為系統(tǒng)設(shè)計提供全面參考。

自動化APD-QE測試系統(tǒng)對研發(fā)的價值

掌握了以上各項APD性能指標(biāo)的意義和測試手段，我們可以體會到要完整表征一顆APD并非易事。傳統(tǒng)上，研究人員可能需要分別搭建光譜掃描裝置、I–V掃描電路、以及低噪聲放大與頻譜分析系統(tǒng)，才能逐一測得EQE、I–V、噪聲等曲線。 不僅設(shè)備需求繁雜，而且對每項測試結(jié)果的校準(zhǔn)和比對也極耗時間。尤其對于微小面積、高靈敏度的先進(jìn)光傳感器（正如硅光子領(lǐng)域常見的器件），測試難度更高。 然而，現(xiàn)代的光電測試設(shè)備廠商已經(jīng)針對這些挑戰(zhàn)提供了一體化的解決方案。Enlitech光焱科技推出的APD-QE光傳感器量子效率與參數(shù)分析系統(tǒng)就是其中的代表。 該系統(tǒng)將光學(xué)光譜源、精密光學(xué)均光/聚光模塊、電學(xué)測試單元以及控制分析軟件深度整合，能對APD等光探測器進(jìn)行全方位的自動化性能測試。具體來說，APD-QE系統(tǒng)具備以下技術(shù)優(yōu)勢：

1.符合 ASTM E1021 標(biāo)準(zhǔn)的均勻光斑照明：利用專利傅里葉均光技術(shù)產(chǎn)生高均勻度單色光斑（例如10×10 mm區(qū)域內(nèi)不均勻度 <1%），并可依需求切換為微米級聚焦模式，滿足不同尺寸器件的照明要求。對于面積極小的硅光子探測器，可采用均勻光場覆蓋整個器件，避免色差失焦問題；而對于需要逐點掃描的圖像感測陣列，亦可轉(zhuǎn)換為微米級光斑逐像素測試。這種靈活的光斑模式切換能力，確保各種場景下都能將光準(zhǔn)確地耦合進(jìn)器件。

2.多波長寬光譜測試能力：內(nèi)建寬頻光源及單色光譜儀，覆蓋可見光至紅外的廣泛波長范圍（300 nm–1100 nm，可延伸至2500 nm）。這意味著無論是硅基探測器還是鍺/砷化鎵基器件，甚至X射線轉(zhuǎn)光的閃爍體-光電探測器，都能在同一套系統(tǒng)中完成光譜響應(yīng)和量子效率的測量。不需更換多套設(shè)備，即可獲得全光譜的響應(yīng)曲線。

3.光學(xué)與電學(xué)系統(tǒng)一體整合：APD-QE將所有光學(xué)組件（光源、濾光、均光、光纖導(dǎo)引等）和電測組件（高壓偏置源、SMU、低噪聲前放）集成在一個遮光屏蔽箱內(nèi)。并可以結(jié)合先進(jìn)的探針臺系統(tǒng)，實現(xiàn)晶圓級組件在晶圓上的直接測試。整體系統(tǒng)的封裝避免了外界光干擾和電磁噪聲耦合，同時減少了光路對準(zhǔn)和電路連接的人為誤差。使用者無需花費時間在對齊光纖、調(diào)校焦距或構(gòu)建放大電路上，開機(jī)后在軟件界面設(shè)定參數(shù)即可開始測量。

4.全光譜自動校正：系統(tǒng)在出廠時已經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)器件校準(zhǔn)，軟件內(nèi)置校正曲線，可在掃描不同波長時自動補償光源強(qiáng)度波動，提供可靠的絕對EQE數(shù)值。即便長時間使用光源老化，系統(tǒng)也提供快速重新校正的流程，確保數(shù)據(jù)的一致性和可溯源性。

5.定光子數(shù)（PEM）技術(shù)：正如前節(jié)討論的，APD-QE的定光子數(shù)控制功能讓各波長光子計數(shù)保持一致進(jìn)行測試。這對于研究光譜響應(yīng)的本征形狀、比較不同材料或結(jié)構(gòu)在單光子條件下的量子效率特性，非常有幫助。此獨家技術(shù)能夠滿足科研人員對嚴(yán)格實驗條件的要求，獲得更具物理意義的對比結(jié)果。

6.多參數(shù)同步測量與分析：APD-QE的軟件（PDSW平臺）支持多種自動測量，如 EQE 光譜掃描、I–V 掃描、以及 NEP/D*計算和噪聲頻譜測試，一站式完成。相較于傳統(tǒng)需要多臺設(shè)備分步完成的方式，大幅提升了測試效率。例如，研究人員可以設(shè)定好測試流程，讓系統(tǒng)自動先測EQE，再測I–V，最后測噪聲頻譜，所有數(shù)據(jù)集中保存并生成報告，免除了中間繁瑣的人工介入。

通過上述功能，APD-QE系統(tǒng)為研發(fā)人員和工程師帶來了實實在在的效益。首先是測試效率的提升：過去可能要耗費幾天搭建和校正的測試，如今幾個小時就能拿到完整可靠的數(shù)據(jù)。 其次是數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度與重復(fù)性的保證：由于儀器采用了標(biāo)準(zhǔn)化的方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男?zhǔn)，每次測量結(jié)果都具有高度一致性，減少了因人而異或環(huán)境差異導(dǎo)致的誤差。 在產(chǎn)學(xué)研合作或團(tuán)隊協(xié)作中，不同人員、不同期取得的數(shù)據(jù)都可直接比較，這對于加速研究進(jìn)展非常關(guān)鍵。再者，專業(yè)門檻的降低：使用這類自動化系統(tǒng)，研發(fā)者無需成為光學(xué)或測試專家，就能獲取高品質(zhì)的器件性能信息。 他們可以將主要精力投入新器件結(jié)構(gòu)設(shè)計、制程優(yōu)化和應(yīng)用開發(fā)上，而不用被冗長的測試開發(fā)工作分散注意力。正如俗話所說"工欲善其事，必先利其器"，APD-QE等專業(yè)測試儀器成為研發(fā)團(tuán)隊的"利器"，在激烈的硅光子技術(shù)競賽中節(jié)省寶貴時間并掌握精確數(shù)據(jù)。 結(jié)論 硅光子技術(shù)的蓬勃發(fā)展推動了各種高性能光檢測器的需求，其中雪崩光電二極管（APD）憑借其內(nèi)建增益和高靈敏度，在光通信、LiDAR等應(yīng)用中扮演愈發(fā)重要的角色。 要充分發(fā)揮APD在硅光子系統(tǒng)中的潛力，必須深入理解其各項性能參數(shù)——從外部量子效率和光譜響應(yīng)，到I–V曲線和增益特性，再到NEP、D*這類靈敏度指標(biāo)，以及涵蓋各頻段的噪聲行為。這些參數(shù)分別從不同角度描述了APD的表現(xiàn)，彼此又有關(guān)聯(lián)，共同決定了整體系統(tǒng)的性能極限。 通過現(xiàn)代精密測試設(shè)備的輔助，我們能以更高的效率和精度獲取APD的全面特性。例如Enlitech光焱科技的APD-QE系統(tǒng)以其均勻光斑、多波長、定光子數(shù)控制等創(chuàng)新技術(shù)，為研究人員提供了一站式的解決方案，不僅保證數(shù)據(jù)品質(zhì)，更讓大家能專注于創(chuàng)新本身。 對于學(xué)術(shù)研究者、研發(fā)工程師乃至產(chǎn)品開發(fā)人員而言，這樣的工具能將繁瑣的測試轉(zhuǎn)化為輕松的日常，為新一代硅光子器件的誕生保駕護(hù)航。 在未來，我們可以預(yù)期，隨著測試技術(shù)與硅光子技術(shù)的相互促進(jìn)，APD等光電器件將變得更加出色、可靠，硅光子系統(tǒng)的表現(xiàn)也將不斷被推向新的高度，開啟更智能便捷的光子時代。

審核編輯 黃宇