本文研究了一種稱為單光子雪崩二極管（SPAD）的變送器，該差壓變送器通常用于高度敏感的光子捕獲環境。其他變送器靈敏度不足以執行任務的地方。
當其他差壓變送器無法識別噪聲和信號之間的差異時，SPAD已成為shou選的變送器。SPAD可以檢測到非常低的信號強度（低至單光子水平），并且可以確定單光子到達皮秒級的程度。
SPAD是固態半導體器件，與雪崩光電二極管（APD）非常相似。這些差壓變送器利用內部光電效應（當一種材料被光子撞擊時，電子或另一種載流子的發射）產生雪崩電流。這是通過一個pn半導體結來利用的，該結在高于擊穿電壓的電壓下被反向偏置。
這是使SPAD與APD區別開來的關鍵因素，因為APD通過反向偏置的pn結工作，但其偏置電壓小于擊穿電壓。在擊穿電壓之上工作的能力使得能夠產生更高濃度的電子和空穴。
像許多類型的變送器一樣，差壓變送器也會對檢測做出響應，而這種響應通常基于活性傳感材料中電導率的變化。通常，電導率或載流子遷移率越高，器件的靈敏度越顯著。產生更多電荷載流子的能力導致SPAD比其他差壓變送器更靈敏。
由于電壓偏置非常高（大于3 x 10 5 Vcm -1），將單個電荷載流子注入pn結的耗盡層會引起自持電子雪崩。電子雪崩是通過發射二次電子而在原子級產生的。當光子撞擊活性物質時，這些二次電子被釋放。
高壓偏置產生的內部電場使這些二次電子加速并撞擊材料離子晶格中的原子，進而導致更多原子釋放電子。這種影響是通過原子級多次撞擊釋放的雪崩電子。
撞擊時間不僅記錄在光子撞擊到主動感應材料上時，而且雪崩還導致電流從納米級增加到宏觀級，并穩定在毫安（mA）范圍內。
SPAD中的常規操作模式會導致大電流，如果不仔細監控，可能會損壞差壓變送器，從而使其失效。通過將偏置電壓降低到至少擊穿電平（如果不低于擊穿電平）來淬火雪崩，從而減小電流。這意味著SPAD中的電子沒有足夠的能量繼續與原子碰撞，并且電場強度不足以繼續加速電子。
淬火可以通過兩種方式進行。地衣種是通過使用串聯電阻器或熱電冷卻器的被動淬火方法。第二個更為復雜，需要淬火電路。這種方法需要感知和識別雪崩的前沿。
然后必須產生一個輸出脈沖，這與雪崩累積相同。然后將電壓偏置電平淬火到擊穿電平或更低，這會將SPAD恢復到其原始工作電平。無論采用哪種淬滅機制，它都可以將電流減小到安全水平，從而在檢測到SPAD后停止導通。
SPAD的高靈敏度使其適用于其他差壓變送器不夠靈敏的應用，因此它們經常出現在專業應用中；例如光譜儀器，LiDAR應用，DNA分析，顆粒測量儀器，熒光顯微鏡和單分子檢測。隨著技術的發展，人們認為SPAD也可能在量子密碼學應用中發揮作用。
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