评估温度对 APD 激光雷达传感器行为的影响

随着激光雷达系统在无人驾驶汽车中的应用越来越广泛，了解温度对其传感器的影响至关重要。这些传感器必须能够在各种环境条件下准确可靠地运行。通常，汽车“1 级”工作温度范围为 -40°C 至 125°C。考虑到传感器暴露在阳光下的位置、传感器内部电子元件的自热以及全球各种环境条件，需要达到此温度范围才能保证传感器正常运转。

雪崩光电二极管(APD) 是一种正迅速融入激光雷达系统的受欢迎的传感器技术。本报告提供有关 -40° C 至 125° C 范围内典型 APD 特性的信息。

要在此温度范围内使用 APD 传感器，必须了解以下参数的依赖性：

• 击穿电压 (Vbr) 
• 暗电流 (Id)
• 增益 (M)
• 光谱响应度 (S)
• 动态行为（上升时间）
• 电容 (C)

APD 传感器采用普通硅技术制造而成，具有显著的温度依赖性行为。基于半导体材料的物理特性，这些依赖性具有不同的物理性质。

在本概述中，我们描述了三种效应：

• 本征电子空穴对的生成
• 电子在乘法体积中的平均自由程
• 光产生电子空穴对的概率

随着温度的升高，更多电子从价带被激发到导带，这增加了 APD 传感器的反向电流。当没有光产生额外的电子时，反向电流等于 APD 的暗电流。

移动电子在 APD 乘法体积中的平均自由程与温度密切相关。温度越高，APD 半导体材料中原子核快速移动导致的平均自由程越短。较短的平均自由程降低了达到撞击电离能的概率，从而导致在固定偏压下的增益较低。随着温度的升高，击穿电压也随之升高。

APD 半导体材料内移动速度更快的原子核增加了光子与原子碰撞并产生电子空穴对的可能性。这种概率直接取决于量子效率，因此也直接取决于固定固有层厚度的光谱响应。对于在 APD 的有效区域中未完全吸收的光子，光谱响应度随着温度的升高而增加。

概述中提到的第一个物理效应会对暗电流产生重大影响。温度越高，就越有可能产生本征电子空穴对。暗电流随着温度的升高而增加。图 1 显示了 AD500-9 APD 在 -40°C、25°C、85°C 和 125°C 温度下的暗电流。第二个物理效应将击穿电压 (Vbr) 转移到更高的电压。对于 -40° C，击穿电压接近 95 V，温度为 125° C 时增加到 322 V。击穿电压的变化是一个简单的线性函数。相应的温度系数约为 1.4 V/K。表 1 显示了击穿电压的温度依赖性。低电压下温度为 -40°C 时的暗电流电压特性由我们测量设置的本底噪声决定，在图 1 中用灰色矩形标记。

AD500-9 传感器在不同温度下的增益如图 2 所示。将击穿电压转移到更高电压的同样效应也将最佳增益转移到更高的工作点。电子的平均自由程随着温度的升高而减小。这种效应会降低固定电压下的增益。需要更高的工作点才能达到一定的增益。温度越低，增益曲线越陡峭。在这种情况下，电子的平均自由程非常高，使较低的电压能够提供足够的加速度来达到冲击电离能。电压越高，增益越快。

光谱响应度随温度升高而略有增加。这是由于如果不是所有的光功率都被半导体材料吸收，则产生电子空穴对的概率更高。图 3 显示了 25℃ 时光谱响应度相对于响应度的变化趋势。结果表明，响应度随着温度的升高而增加。

电容曲线提供了有关不同电压下电容的信息。它是决定接收电路尺寸的重要参数，对 APD 传感器的动态行为有很大影响。图 4 显示了使用 LCR 表测量出的 AD500-9 APD 的电容趋势。

测量频率为 1 MHz，幅值为 15 mV。图 4 所示的行为可以借助平板电容器来解释。耗尽区的厚度代表平板电容器的厚度。电压会增大耗尽区。因此，图 4 显示了在 45 伏高加速度下的下降趋势，其中乘法体积完全耗尽。

在 APD 完全耗尽的情况下，平板电容器的厚度不会随着 50 V 或更高的电压而改变。会在不同温度下测量曲线。高于 50 V 时，电容不随温度变化。这几乎不是由与温度无关的完全耗尽的 APD 引起的。低于 50 伏时，较高温度下的电容曲线趋势低于较低温度下的电容曲线，但这可能是测量设置的限制，不一定是物理特性。

LCR 表的测量参数（频率和幅度）针对低电容进行了优化。因此，45 V 以上电压的数据比 45 V 以下电压的数据更准确，表 3 显示了增益为 20 时的电容。本次测量中 AD500-9 传感器的击穿电压低于其他测量中 APD 的击穿电压。图 4 显示，50 V 以上的电容接近 1 pF，在较高温度或工作电压下不会发生显著变化

对于激光雷达系统，APD 脉冲的上升时间是其性能的关键参数。因此，需要研究这些参数对工作电压和温度的依赖性。图 5 显示了不同温度下上升时间与电压的关系。上升时间是通过使用示波器测量超快光脉冲激发时的响应来确定的。测量是在 50 Ω 的输入阻抗下完成的。图 5 显示，对于更高的温度，需要更高的工作电压才能达到相同的上升时间。这会导致较高温度下的饱和漂移速度降低
。
图 5 所示的结果表明，较低的温度可改善动态行为。然而，对于许多应用而言，APD 传感器的固定增益非常重要。图 2 显示了不同温度下的增益曲线。如前所述，温度越低，增益曲线越陡峭。这意味着增益非常高，即使对于低电压也是如此。

电子在倍增体积中的平均自由程较大，因此饱和漂移速度较高。然而，电场不够高，无法补偿更高饱和漂移速度的积极影响。图 6 显示了上升时间与增益的关系。对于一定的增益，温度越高，上升时间越短。这是由 APD 传感器中具有相同增益但温度较高的更强电场引起的。

图 6 显示了温度对固定乘法和连续环境光模拟下的动态行为的影响。同样，可以观察到，较高的温度需要更高的操作偏差才能获得一定的增益，从而导致更快的响应。此外，还可以看出，更强的环境照明不会缩短响应时间或导致饱和。然而，由于 CW 光电流在 -40°C 时的自热效应，操作偏差略高，因此 APD 在较高的照明密度下看起来更快。

图 7 显示了 TIA 典型输入范围内不同水平的 905nm CW 照明在不同温度下的光电流。动态范围不受 -40° C 至 125° C 工作温度的影响。

Jona Kurpiers 博士，TE Connectivity