APD 的两种工作状态：线性模式与盖革模式，单光子探测为什么离不开淬灭电路

雪崩光电二极管（APD）大家都不陌生，通信接收里常用它在灵敏度上比 PIN 管多挣几个 dB。但同一个 APD，其实可以在两种截然不同的状态下工作：线性模式和盖革模式。分界线就是雪崩击穿电压。偏压低于击穿电压时，器件工作在线性模式；偏压高于击穿电压时，就进入了盖革模式。

线性模式是通信里最常见的用法。光生载流子在高场区获得倍增，增益 M 一般在 10 到 100 的量级，输出电流与入射光功率成正比，适合做连续信号的接收。代价是倍增过程本身会引入过剩噪声，增益越高，噪声增长越快，所以 M 并不是越大越好，实际选型要在增益、带宽和噪声之间折中。

盖革模式则是另一套玩法。偏压超过击穿电压后，单个光子产生的载流子就能触发一次自持的雪崩，输出一个幅度与光子数无关的脉冲。也就是说，器件不再区分一个光子还是几个光子，它只回答“有没有光子来过”。这种模式的灵敏度达到了单光子量级，广泛用于激光雷达、量子通信和荧光寿命测量。

但盖革模式有个必须解决的问题：雪崩一旦触发就不会自己停下来，必须靠淬灭电路把它掐断。被动淬灭用一个大电阻限制电流，等雪崩自然熄灭，结构简单但恢复时间长；主动淬灭用电路检测到雪崩后迅速拉低偏压再恢复，死时间短、计数率高，但电路复杂。死时间里器件是“失明”的，到达的光子会被漏计；雪崩后残留的载流子还可能引发后脉冲，造成假计数。实际应用中，死时间、暗计数率和后脉冲概率这三个参数要一起看，单看探测效率容易踩坑。

顺带区分一个常见混淆：SiPM 并不是一个大号 APD，而是成千上万个工作在盖革模式的微单元并联组成的阵列，靠统计触发的单元数来恢复光子数信息。理解了线性与盖革的分界，APD、单光子探测器和 SiPM 的选型逻辑就串起来了。

补充两点现场口径，方便和楼主的线性/盖革分界对照着看：

1）线性模式选型别只盯增益 M。通信接收里更常卡的是「指定误码下的灵敏度 + 带宽」，M 抬高后过剩噪声因子会吃掉一部分灵敏度收益；温箱里把偏压与温度绑在一起扫一遍，比室温单点调到最大 M 更接近上架。

2）盖革模式把淬灭写进验收项。被动淬灭死时间长、计数率上不去；主动淬灭死时间短，但要同时报暗计数率、后脉冲概率和死时间，三者缺一就没法横比探测效率。SiPM 是微单元并联统计，和「单管盖革 APD」不是同一张选型表。

想请教做过单光子接收的朋友：你们更常卡的是暗计数，还是后脉冲把虚警抬高？

补充一点工程侧常见踩坑，方便对照楼主讲的线性/盖革切换：

1）盖革模式不是「把偏压拧过击穿点就完事」。过压（Vex）差 1–2 V，增益和暗计数率（DCR）会一起跳；量产验收最好固定「过压 + 温度」两个自变量，而不是只记绝对偏压读数。
2）淬灭电路选被动还是主动，本质是死时间与后脉冲的折中：被动 RC 简单，但死时间往往到微秒量级，高光子率会「糊成一片」；主动淬灭能把死时间压到几十纳秒，但布线寄生和比较器抖动会直接吃掉时间分辨率。
3）做单光子计数时，先看门控（gated）还是自由运行。激光雷达常用窄门压暗计数；量子通信链路更常盯后脉冲概率和检测效率曲线，这两项比「标称 PDE」更能决定系统误码。
4）线性模式 APD 仍要留足余量：接近击穿时增益对温度极敏感，偏压源温漂和探测器壳温必须一起标定，否则「室温标定、机柜 55℃」会出现假饱和。

好奇现场朋友们：你们盖革方案里，更常被客户卡的是 DCR 规格，还是后脉冲/死时间？主动淬灭有没有遇到过 PCB 寄生把淬灭脉冲「振铃」导致二次触发？