一文看懂 APD：为什么它能成为激光雷达的主流探测器？

随着自动驾驶、机器人和工业 3D 感知技术的发展，激光雷达（LiDAR）的应用越来越广泛。激光雷达能探测多远、识别目标是否清晰、能否抵抗环境光干扰，以及长时间工作是否稳定，都与接收端的光电探测器有很大关系。

光电探测器的主要作用，就是接收目标反射回来的微弱激光，并将光信号转换成电信号，供后续电路进行处理。

目前，车载和工业激光雷达中常见的探测器主要有三种：APD、SPAD 和 SiPM。它们虽然都能探测微弱光信号，但在工作方式、性能特点和适用场景上存在明显区别。

多形态的APD光电探测器

例如，为什么早期的激光雷达大多采用 APD？SPAD 和 SiPM 同样具有单光子探测能力，它们与 APD 有什么不同？如果需要实现远距离探测，或者面对低反射率目标、强光环境和车规级高温环境，又该如何选择？

要回答这些问题，可以先从 APD 的工作原理说起。

一、什么是 APD？

APD 的英文全称是 Avalanche Photodiode，中文名称为雪崩光电二极管。它是一种具有内部增益功能的半导体光电探测器，主要通过雪崩倍增效应放大微弱光信号，从而提高探测灵敏度。

可以简单理解为：普通光电二极管接收到多少光，就产生与之对应的光电流；而 APD 相当于在探测过程中增加了一个内部放大环节，即使接收到的光比较微弱，也能通过内部增益得到更容易检测的电信号。

APD 与普通光电二极管（PD）的主要区别，就在于是否具有内部雪崩增益。

普通 PD 接收到光子后，会在半导体内部产生电子-空穴对。在电场作用下，这些载流子形成光电流并输出。它没有明显的内部雪崩放大过程，因此结构和驱动电路相对简单，工作电压通常较低，噪声也比较小，成本相对便宜，常用于光功率检测、遥控接收和环境光传感等场景。

APD 则需要施加较高的反向偏压，通常为几十伏到上百伏。当光生载流子进入较强的电场区域后，会被加速并与晶格原子发生碰撞，产生新的电子-空穴对。新产生的载流子继续参与这一过程，使电流得到进一步放大。

通过这种方式，APD 可以获得数十倍甚至更高的内部增益，对微弱光信号的探测能力也更强。

不过，增益提高并不意味着没有代价。APD 在提高灵敏度的同时，也会带来额外噪声，对温度控制和驱动电路的要求更高，增益与响应带宽之间也需要进行合理取舍。

APD光电探测器和PD普通光电二极管的对比

二、APD 是如何实现信号放大的？

APD 最重要的工作原理就是雪崩倍增效应。

当激光照射到 APD 的感光区域时，光子被半导体材料吸收，产生电子和空穴。由于器件内部施加了较高的反向电压，这些载流子会在强电场中快速运动。

当载流子获得足够的能量后，就可能与晶格原子发生碰撞电离，产生新的电子和空穴。新产生的载流子又会继续被加速，并参与后续的碰撞电离过程。

如此反复，载流子数量不断增加，最终形成类似雪崩一样的放大效果，使原本微弱的光电流变得更容易检测。

APD 的几个主要特点：

线性工作模式： 在正常线性雪崩工作范围内，输出光电流会随入射光强变化，便于测量目标反射回来的光信号。

增益可以调节： 通过改变反向偏压，可以调整器件的雪崩增益。

适合微弱光探测： 内部增益能够放大较弱的光信号，帮助系统获得有效的探测结果。

需要注意的是，APD 的线性输出是在一定工作范围内成立的，并不是任何光强下都不会饱和。

APD雪崩二极管的工作原理

三、为什么 APD 长期应用于激光雷达？

在车载和工业激光雷达领域，APD 已经应用多年。它能够兼顾探测灵敏度、响应速度和信号幅度测量，因此在许多传统脉冲式激光雷达中得到了广泛应用。

主要优势体现在以下几个方面。

1. 能够测量光信号强度

APD 工作在线性模式时，输出电流与接收到的光信号强度相关。

激光雷达不仅需要根据激光发射和接收的时间差计算目标距离，还可以通过分析回波信号的强弱，辅助判断目标的反射特性。

例如，黑色车身和白色车身对激光的反射能力不同，接收端得到的回波强度也可能存在差异。APD 能够提供相应的幅度信息，为目标识别和反射率判断提供参考。

相比之下，SPAD 主要通过检测单个光子是否触发雪崩来获得事件信息，通常需要通过统计光子事件数量来估算光强，并非直接输出与入射光强成正比的线性电流。

2. 技术成熟，适合长期稳定工作

APD 的制造工艺和应用技术已经比较成熟，在车载和工业光电探测领域积累了较多经验。

通过合理的器件设计、驱动电路和温度补偿，可以满足不同设备的工作要求，也有利于控制生产成本和提高产品可靠性。

对于车载激光雷达来说，设备需要面对较大的温度变化和复杂的户外环境，因此探测器的稳定性非常重要。

3. 适合远距离微弱回波探测

激光雷达探测距离越远，接收到的反射光通常越弱。如果目标本身反射率较低，回波信号还会进一步减小。

APD 具有内部雪崩增益，可以放大这些微弱信号，因此适合远距离探测场景。

在一些长距离激光雷达系统中，APD 可以用于探测数百米范围内的目标。不过，实际探测距离还受到激光发射功率、接收光学系统、探测器性能、目标反射率以及环境条件等多种因素影响，并不是仅靠 APD 就能决定。

4. 响应速度快，适合脉冲测距

APD 具有较快的响应速度，能够配合脉冲激光器完成回波信号检测。

目前常见的 905nm 和 1550nm 激光雷达系统，都有相应的 APD 探测方案。系统通过记录激光发射和回波接收之间的时间差，计算目标距离。

在器件和系统设计合理的情况下，可以实现较高精度的距离测量。

四、APD 除了激光雷达，还有哪些应用？

APD的常见的测距应用

APD 并不是只用于车载激光雷达。由于它具有较高的探测灵敏度，在很多需要检测微弱光信号的设备中也能发挥作用。

常见应用包括：

车载激光雷达： 用于接收目标反射回来的激光信号，支持距离和回波强度检测。

光纤通信： 用于 1310nm、1550nm 等波段的光信号接收，具体取决于 APD 的材料和器件设计。

激光测距与测绘： 应用于无人机测距、地形测绘和激光测量设备。

工业检测： 用于微弱光信号检测、光谱分析和精密测量。

医疗与科研： 可用于荧光检测、粒子探测以及其他需要高灵敏度光电检测的实验设备。

五、APD 有哪些不足？

虽然 APD 在激光雷达中应用广泛，但它也有自身的局限，并不是所有探测场景都适合使用 APD。

主要有以下几个方面：

1. 工作电压较高： APD 需要较高的反向偏压，驱动电路设计相对复杂。

2. 对温度比较敏感： 温度变化会影响器件的击穿电压和雪崩增益，因此通常需要配合温度补偿或增益控制电路。

3. 存在额外噪声： 雪崩倍增过程中会产生额外噪声，增益越高，噪声控制越需要注意。

4. 单光子探测能力有限： APD 在线性模式下并不适合直接进行单光子计数。对于极弱光、单光子级别的探测，SPAD 和 SiPM 通常更有优势。

因此，APD 的选型需要综合考虑探测距离、信号强度、噪声、温度范围和系统成本等因素。

六、APD 未来有哪些发展方向？

随着激光雷达向更远距离、更高分辨率和更小体积发展，APD 也在不断改进。未来的发展主要集中在以下几个方面。

1、硅 APD 性能持续优化：针对 905nm 激光雷达应用，硅 APD 将继续向更高灵敏度、更低噪声和更小尺寸发展，以满足不同接收系统的需求。

2、InGaAs APD 应用于 1550nm 波段：1550nm 激光雷达对探测器材料有不同要求。InGaAs APD 对这一波段具有较好的响应能力，因此在相关长距离激光雷达系统中具有应用价值。

3、向阵列化和集成化发展：随着激光雷达向固态化、小型化方向发展，探测器也在逐步向阵列化和集成化设计推进。通过集成多个探测单元，可以满足更复杂的光信号接收需求。

4、与 SPAD、SiPM 形成互补：APD、SPAD 和 SiPM 各有特点。APD 适合线性光强检测，SPAD 适合单光子事件探测，SiPM 则通过集成多个 SPAD 微单元实现光子事件的统计检测。

未来不同探测器可能会根据激光雷达的距离、精度、环境适应性和成本要求，采用不同的技术方案。

APD 并不是最新出现的光电探测技术，但凭借内部雪崩增益、线性信号输出、较快的响应速度以及成熟的制造工艺，它在车载和工业激光雷达中一直占据着重要位置。

它能够将微弱的激光回波转换成更容易处理的电信号，为激光雷达测距和目标反射特性分析提供支持。

当然，APD 并不是所有场景下的最佳选择。面对单光子级别的微弱信号，SPAD 和 SiPM 也有各自的优势。实际应用中，还是需要根据探测距离、目标反射率、工作环境和系统成本来选择合适的探测器。

简单来说，APD 的核心优势在于线性增益和成熟可靠，它仍然是许多激光雷达接收系统中重要的光电探测器件。