当下，车载激光雷达在跨越鸿沟的商业路径上越走越快，很多从业者对905/940 nm下TOF方案的探测器选择上出现了一些共性讨论，话题主要集中在“SiPM” 和 “SPAD”这两个常见的称呼上。作为两者均有产品布局的滨松中国，我们也收到很多关于这两个器件技术底层差异辨析的咨询，不仅激光雷达行业的从业者，连主机厂或Tier1的用户也纷纷提出了疑问。这些问题包含不限于以下几个方向：

问题提问的角度不同，但是聚焦的核心无非就是：SiPM和SPAD是什么，它们俩的使用区别以及基于两种产品研发出来的雷达模块的差异。进一步就是要做激光雷达，我要做什么样子的路线选择，要选择使用激光雷达，面对两种主流方案，我该怎么选择的问题。

为了帮助行业朋友更好的理解这两个器件，我们决定出一篇较为详细的对比文字，期待可以为行业同仁更清楚的理解这两个产品类型，做出一点点贡献。

本文的目标受众是，对SiPM和SPAD之间的差异还有疑惑，或者对它们双方的差异到底是哪里不甚明了的朋友。芯片行业专家和同行可以快速浏览或直接略过。毕竟，在当下的环境，用有限的时间投入到自身差异化竞争策略，进一步争取做出非同质（不内卷）技术和产品才是每一家企业发展的王道。那么，请跟我们一起去探求SiPM和SPAD的差异吧。

要论证SiPM和SPAD这两种器件，我们需要从定义入手，认知事物最直接的路径往往都需要从定义入手。很多问题，当我们逐字不落地通读之后就发现自己的理解进了一步。SiPM的定义和结构

SiPM：全称Silicon Photomultiplier，这个名字最早从哪里出来的呢？作为单光子探测器的鼻祖产品，光电倍增管(Photomultiplier简称PMT)可谓是一个划时代的标志。这个产品是基于真空光电子技术，通过光电阴极的光电转换叠加后续倍增级放大，实现单光子事件检出的一个光电探测器产品。随着Si半导体技术和材料的演进，半导体器件也逐步具备了这个单光子级别的检出限，为了在大型医疗诊断装置-PET（Positron Emission Tomography ，即正电子发射断层扫描仪）对光电倍增管(photomultiplier)形成冲击和替换，就形成了硅基（Si）光电倍增管（PM）的名称。它的形态就是在盖革模式下运行的多个雪崩光电二极管(APD) 像素的阵列集合。从左到右，逐级分解的样子如下，它是多个盖革模式APD的并联集合，由于每一个盖革APD都具备光子检出能力，同时多个并联就具备的同时检出多光子幅度的检出能力（也可以理解为动态范围，同时间检出多少个光子量的能力）。

图1 上述图例来源：滨松S15639-1325PS，COB封装1通道SiPM，左图=实物产品图片，中间=放大版结构图，每一个点都是盖革模式APD，右图=等效的结构；简单来说，S15639-1325PS作为单通道SiPM，它内部并联了2120个盖革模式的APD，并汇总到一路进行输出

SPAD的定义和结构

SPAD：Single Photon Avalanche Diode，它是一个工作在盖革模式下的雪崩光电二激管APD（Avalanche Photo Diode）；从名称上看，1个SPAD=1个APD进入盖革工作区域，单独1个SPAD仅仅输出的结果就是“无光子=0”或者“有光子=1”，如果1个SPAD进入2个或者多个光子，它也只能输出“有光子=1”的结果。但是自然界的光有强弱，强光环境下，为了获得多光子事件的信息，一般会把多个SPAD分成小组（binning），比如3*3（3横3纵）9个SPAD 作为一组进行使用，这样一个小组就具备了0-9的输出的组动态范围。

图2 上述图例来源 日本SONY公司开发的SPAD SOC产品的结构和DEMO点云展示图

图3 IMX459芯片简要规格书比如我们拿市面上较为有代表性的SONY索尼发布的IMX459 TOF-SPAD传感器为例，纯SPAD是指代的红框部的物理层，它的直接感光区域构成，是一个由Vertical垂直方向168个SPADs，Horizontal水平方向上597个SPADs构成的阵列。597按照3*3一组使用，可以出199组数据，去掉部分边缘像素，再调转90°使用，这也是为什么目前出现了清一色的192线激光雷达的原因。如果按照6*6一组使用，则可以出现99.5组数据，这也是为什么出现了96线激光雷达的原因。（我们这里就清楚了，作为我们常说的SPAD方案，同一个sensor可以通过分bin模式改变等效线束）。

图4  上图每个颜色所代表的3*3都是基于SPAD的工作组，黑色中心表示输出电极，输出电极和SPAD像素数量一一对应。假设把3*3的一个区域可输出的信号合成1个统一读出，那它本质上等同于由9个SPAD构成的单通道SiPM。SPAD和SiPM的结构关系可以参考下图。

图5 SPAD 和 SiPM的结构关系
至此，我们可以明确地知道，SiPM和SPAD的最小的感光单元，都是单通道的盖革模式的雪崩二极管，从物理层面上完全是同样的东西。而SiPM是将成百数千个盖革雪崩二极管放在一起并起来，最后内置1个电极输出带有动态幅度分辨能力的模拟信号。而SPAD是将固定比例的N*N（一般都是3*3 =9个or 6*6=36个 ）的盖革雪崩二极管的通过电子学后的3*3 or 6*6 路的输出合并在一路以数字信号进行解析。SiPM和SPAD更多的区别在于使用“前融合模拟量”还是用“后融合数字量”去获得有效信号。故此，SiPM更好还是SPADs（为了体现分组使用这个特点，笔者增加了一个小s代表多个SPAD一定分组使用）更好，更多的是取决于用户希望得到什么阶段程度的信息量，或者希望在激光雷达系统中，对什么信息施加什么类型的影响。那么这句话，如何更好的理解呢？

SiPM和SPAD对信号处理的过程

我们进一步看一下SiPM和SPADs对信号处理的过程。

图6  SPAD和SiPM 感光层和电子学对应关系图从左侧图可以看出，每个单独的电子学pad需要1对1的分布在每个SPAD的下方，同时电子学物理Size需要在SPAD Pixel尺寸以内，ASIC工艺节点也需要较为先进的工艺节点（成本较高）去支撑小尺寸的SPAD 阵列。从右图可以看出，SiPM直接连接到1个Pad上，单个SiPM的电子学ASIC功能可以不受单个SPAD像素尺寸的制约，工艺节点上相对成本更低。从使用角度看，如何获得真实被测物体的反射光，并进一步解析呢？

图6中左侧的SPADs依靠出厂配置好的电子学部分的处理能力，由于单独1个SPAD被激发有可能是噪声干扰，需要在一个组内识别至少2个像素以上（可以更多）的SPAD被同时激发的时候才可以被认为的真的信号。

① 3路SPAD比较器分别识别该路SPAD是否接到回波光。通过内置的时间校正电路将接收到回波信号时间与相邻信道进行比较。当同时多个SPAD产生信号的时候，被认为是有真实的信号，时间校正电路中同时被激发SPAD数量可配置。

② 当多个SPAD在同一时间检测信号时，这些信号视为信号。从其他通道延迟的信号被认为是噪声；

③ 信号的时间用高精度TDC来测量。

图7 SPADs信号读出原理结构
图6中右侧的SiPM方案，由于内置了多个SPADs并联接入到一个电子学通路中，SiPM方案天然可以同时接到等效于SPADs数量的光子量，从输出的脉冲幅值高度可以判定反射光强度信息，依靠基于可配置的多路比较器，在模拟量阶段，最大限度卡掉可能造成误判的噪声来获得信号。① 比较器的阈值可以区分模拟量的输出值。低于比较器阈值的输出为噪声，高于该阈值的值为信号。② 信号的时间用高精度TDC来测量。

图8 SiPM信号读出原理图

故此，是依靠时间相关矫正电路去区分信号和噪声，还是依靠可配置多路比较器的阈值筛选信号和噪声，就是SPADs方案和SiPM方案获得有效信号方式之间的关键区别。进一步解读，就是SPADs方案下，谁定义了电子学算法，谁可以决定激光雷达输出的原始结果。SiPM方案则是谁能更好对模拟量进行基于多路比较器的配置读出，谁可以定义激光雷达的输出的原始结果。那么在如何选择的问题上，可以通过询问自己“要获得的是芯片直接处理完毕的距离信息（SPADs）”or“要获得的是用户自己对距离信息获取过程的定义权（SiPM）”这两个的问题进行区分。这就是在两种方案之间做选择的金标准。
SiPM和SPAD各项参数对比

现在我们理解了SiPM和SPADs之间物理层和使用层之间的核心差异后，我们总结了如下简要的结论对比：表1 SiPM和SPAD各项参数对比

常见的疑惑和解惑

进一步我们回过头来，看看那些让人经常误解或者不清楚的问题。

常见问题1： 恢复时间（Recovery time）

疑惑：SPADs相对SiPM恢复时间更快？恢复时间越快越好？

解惑：如下

 图9 左侧是SiPM方案典型电路构成，右侧是SPADs方案典型电路构成

• 从电子学电路角度，SPADs和SiPM在使用方式上，最本质的区别在于从一定数量的SPAD像素中收集到的信号是以数字的方式进行合并，还是以模拟的方式进行合并，没错，这就是用法上唯一的区别；

• 单通道SPAD=1ch盖革模式的APD的构造一模一样；

• 如果增益Gain是一样的，那么恢复时间Recovery Time本身就是一样的；而不是说天然的SPADs本身就比SiPM具有更好的恢复时间。从参数上看，等增益的SiPM和SPADs的恢复时间是一样的。

那么恢复时间是不是越快越好？理论上是，但是实际上我们会遇到一个Latching问题。

从物理公式上看，Recovery time 取决于Cj x Rq time constant. Cj取决于单个SPAD尺寸和耗尽层厚度，是一个随着工艺的固定量，故此Rq的参量需要谨慎配置，以保证足够的增益下能恢复且不发生Latching问题。何为Latching现象？信号Latching是指在SPADs（盖革模式APD）中，一旦检测到光子，探测器会进入一种持续的高电平状态，直到被外部信号复位。这种现象通常是由于探测器内部过强的雪崩效应导致的，即使光子事件已经结束，探测器仍然保持激活状态。Latching会影响探测器的正常工作，因为它会导致探测器在一段时间内无法响应新的光子事件。在激光雷达应用上，Latching现象可能导致错误的探测结果，增加虚警率。因此，理解和控制Latching对于提高探测系统的性能至关重要。

图10 不同Cj Rq参数配置下的输出结果

• 当恢复时间过快，很容易引发图10中右侧的问题，导致盖革状态无法猝灭或解除。持续有电流输出，同时节温升高，导致Vbr和Vex改变。

• 故SPAD中的Rq的配置需要考虑到Latching问题。故此恢复时间不一定越快越好，过快则发生Latching问题的概率也就越大。如何配置考验每个厂家的设计思路和对自己器件的理解。

常见问题2：SPAD的尺寸在恢复时间中的角色

疑惑：恢复时间的关系和SPAD的尺寸有强相关性？

解惑：是的！

图11 SPAD尺寸和恢复时间的关系而其背后的逻辑还是回到Gain增益这个参数；SPAD SIZE越小→Gain越小→恢复时间越快。（复习，恢复时间仅和Gain增益相关）。滨松S15639 系列实测数据为例，25μm SPAD：46 ns 15μm SPAD：23 ns 10μm SPAD：10 ns（2024年12月工程样品） 恢复时间的定义：90%下降到10%的Slow Pulse的时间（如图11右侧图例所示）

常见问题3：探测器死时间 “Dead Time”

疑团：恢复时间≠死时间，恢复时间=死时间？ 

解惑：如下

图12 SPAD SiPM时间特性对比简单而言，由于使用方式的不同，1ch SiPM内置了多数的SPAD，针对单SPAD而言，Recovery time = Dead time这对单SiPM而言，Recovery time ＞Dead time

常见问题4：SPADs和SiPM对杂散光和信号光的分离能力 

疑惑：为什么SPADs在近距离盲区检测上容易出现不准的情况？ 

解惑：如下

我们拿典型的SPADs电路进行模拟，下图中的电子学的优势是信号压缩，高解析分辨。同时带来的劣势是OR部分的门控约束，导致光强度信息的丢失，由于强度信息丢失，导致真实信号和噪声信号的分辨无法瞬间获得，此情况需要后续histogram统计直方图寻峰解决。

图13 SPAD电子学信号获取逻辑同时，如果同等光强下，进行远近距离切换，容易导致单组（3*3 or 6*6）SPADs动态范围不足。近距离出现的高反物体连续输入强光导致SPADs更容易被瞬态充满进而无法使用。这也是在室外测试激光雷达的时候，拿一个高反板在工作中的雷达窗口前遮挡，SPADs方案更容易出现信号失真的问题所在。同样的情况下，我们看看基于SiPM方案的逻辑下是如何配置的？由于SiPM天然具有信号幅度信息和基于信号幅度的信噪区分能力，通过多比较器和波形可以更快地获得有用的信号，当然难题是恰当地配置阈值的适配能力还有对脉冲幅度信息和脉宽信息的深度解读能力。

图14 SiPM电子学信号获取逻辑

常见问题5：SPADs和SiPM集成度 

疑惑：SPADs的产品形态是SOC集成度高的模式，比SiPM更高集成。 

解惑：从一般使用模式上看，是对的！对深度SiPM玩家，不一定。

一般使用SiPM的时候需要配置TIA，多阈值比较器，和FPGA的模式，这个构成在离散性上会高一些。但是这个并不意味着SiPM的集成度天然的就低于SPADs SOC，最近大家看蔚来汽车和小鹏汽车发布会的时候，可能会注意到两家当家人都在发布会从兜兜里掏出来一个芯片，量产流片这个事儿其实也可以等效的放在激光雷达厂家这个层面，替换掉FPGA而取而代之自流片ASIC，将SiPM和ASIC进行合封使用，也能实现最佳的集成度和规模下的低成本。企业自主开发ASIC（专用芯片），有两个核心要素，缺一不可。第一点，钱！流片费用是一次性大额开支，没有足够的产品出货是无法在经济上摊销这笔花费的。第二点，积累用户经验和数据，简单而言，对SiPM信号处理和针对不同的光事件下的特征信号的解析和判定都需要较深度的理解才可能定义清楚自己需要的AISC的功能。没有SiPM深度使用经验的公司是无法实现这个定义的。滨松认为SiPM+AISC的模式是SiPM方向下最可以做出壁垒和差异化的方式，故此作为引子产品，滨松会在2024年10月份提供16通道的SiPM+ASIC标准产品。适配物流低速简易场景的激光雷达开发。为什么这么定义一款16通道SiPM+ASIC的产品，因为滨松作为一家传感器公司，没有足够的应用案例和对Corner Case的数据累计（这是激光雷达厂家的knowhow）。

图15 滨松SiPM ASIC S15022系列特征

图16 滨松SiPM ASIC S15022系列结构

常见问题6：SPADs和SiPM对用户使用价值 

疑惑：SPADs的产品形式，比SiPM更对用户友好？ 

解惑：适合不同的体量的公司，以及商业模式壁垒不同。

SPADs：SPADs感光和ASIC需要成套使用，用户不用考虑内置细节的信号处理过程，更加容易上手。直接获得距离信息，并使用距离信息。得到的距离做后期的计算处理或改善。无法对内部处理过程的黑匣子干预，用户无法改变预埋的信号处理方法，也无法根据应用特征和不同，对处理方法进行优化适配。适合以多传感系统集成为卖点的公司，激光雷达本身的信号缺陷可以通过其他方式补齐，以整体解决方案成套打包为常见的业务商业模式，而商业壁垒不靠激光雷达这个模组本身的性能和参数指标。 SiPM：SiPM作为单独的传感器，不和ASIC深度捆绑。用户需要构建一种适配主流应用的模拟信号处理方法。如基于不同场景下高频和corner case，充分理解模拟信号的特性并设计出处理电路ASIC。适合追求激光雷达极限性能参数壁垒并有能力针对不同用途适配最佳方案的雷达公司，车载激光雷达是其中一个重要的应用场景和产品类别，以激光雷达本身性能优势和基于场景的适配算法作为主力产品的商业模式居多。

参考资料： 

Sony to Release a Stacked SPAD Depth Sensorfor Automotive LiDAR Applications, an Industry First*1Contributing to the Safety and Security of Future Mobility with Enhanced Detection and｜News Releases｜Sony Semiconductor Solutions Group (sony-semicon.com) ADAS-Lidar|索尼车载IMX459激光雷达芯片论文解析 - ADAS之眼 (jokereyeadas.github.io) 看懂这颗激光雷达芯片，就看懂了索尼汽车 (qq.com)

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