本文研究了一种称为单光子雪崩二极管（SPAD）的变送器，该差压变送器通常用于高度敏感的光子捕获环境。其他变送器灵敏度不足以执行任务的地方。
当其他差压变送器无法识别噪声和信号之间的差异时，SPAD已成为shou选的变送器。SPAD可以检测到非常低的信号强度（低至单光子水平），并且可以确定单光子到达皮秒级的程度。
SPAD是固态半导体器件，与雪崩光电二极管（APD）非常相似。这些差压变送器利用内部光电效应（当一种材料被光子撞击时，电子或另一种载流子的发射）产生雪崩电流。这是通过一个pn半导体结来利用的，该结在高于击穿电压的电压下被反向偏置。
这是使SPAD与APD区别开来的关键因素，因为APD通过反向偏置的pn结工作，但其偏置电压小于击穿电压。在击穿电压之上工作的能力使得能够产生更高浓度的电子和空穴。
像许多类型的变送器一样，差压变送器也会对检测做出响应，而这种响应通常基于活性传感材料中电导率的变化。通常，电导率或载流子迁移率越高，器件的灵敏度越显着。产生更多电荷载流子的能力导致SPAD比其他差压变送器更灵敏。
由于电压偏置非常高（大于3 x 10 5 Vcm -1），将单个电荷载流子注入pn结的耗尽层会引起自持电子雪崩。电子雪崩是通过发射二次电子而在原子级产生的。当光子撞击活性物质时，这些二次电子被释放。
高压偏置产生的内部电场使这些二次电子加速并撞击材料离子晶格中的原子，进而导致更多原子释放电子。这种影响是通过原子级多次撞击释放的雪崩电子。
撞击时间不仅记录在光子撞击到主动感应材料上时，而且雪崩还导致电流从纳米级增加到宏观级，并稳定在毫安（mA）范围内。
SPAD中的常规操作模式会导致大电流，如果不仔细监控，可能会损坏差压变送器，从而使其失效。通过将偏置电压降低到至少击穿电平（如果不低于击穿电平）来淬火雪崩，从而减小电流。这意味着SPAD中的电子没有足够的能量继续与原子碰撞，并且电场强度不足以继续加速电子。
淬火可以通过两种方式进行。地衣种是通过使用串联电阻器或热电冷却器的被动淬火方法。第二个更为复杂，需要淬火电路。这种方法需要感知和识别雪崩的前沿。
然后必须产生一个输出脉冲，这与雪崩累积相同。然后将电压偏置电平淬火到击穿电平或更低，这会将SPAD恢复到其原始工作电平。无论采用哪种淬灭机制，它都可以将电流减小到安全水平，从而在检测到SPAD后停止导通。
SPAD的高灵敏度使其适用于其他差压变送器不够灵敏的应用，因此它们经常出现在专业应用中；例如光谱仪器，LiDAR应用，DNA分析，颗粒测量仪器，荧光显微镜和单分子检测。随着技术的发展，人们认为SPAD也可能在量子密码学应用中发挥作用。
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