APD 光电探测器

1 3 秒看懂

• 一句话：APD 在反向高偏压下借助内部雪崩倍增，把极弱光信号先做本征放大，再交后端电路处理，从而在噪声优势上远超普通 PIN 探测器。
• 核心用处：解决远距离光传输、激光雷达、微弱荧光等场景中“光信号太弱、电路噪声太大”的根本矛盾，让系统能把被底层噪声淹没的信号可靠提取出来。
• 三个必看维度：倍增因子决定信号增益上限；过剩噪声系数决定实际信噪比优劣；温度敏感性与偏压控制决定长期稳定性与量产一致性。
• 产业关键词：光通信接收端、激光雷达长距探测、单光子计数、ROSA 光接收组件。

2 3 分钟产业解释

雪崩光电二极管本质上是一种能够内部放大光电流的半导体光探测器。它工作在反向偏压接近但略低于击穿电压的区域，利用载流子在强电场下的碰撞电离，使一个光子产生的电子-空穴对被倍增为几十至几百对，从而实现电流增益。这个增益发生在电信号离开探测器之前，因此可以有效压制后端跨阻放大器引入的热噪声，使系统信噪比大幅提升。

在产业语境中，APD 并不是一个孤立器件，而是基本以“APD＋TIA”绑定方案出现在光接收组件中。在 10G/25G/100G 中长距光模块中，APD 方案相比 PIN 方案虽然成本更高、偏压控制更复杂，但在灵敏度预算紧张时往往是唯一可行解。在车载长距激光雷达中，Si APD 或 SiPM 阵列可以在 905 nm 波段以相对低成本实现百米级探测；InGaAs APD/SPAD 则在 1550 nm 波段激光雷达中承担人眼安全条件下的长距探测任务。

与产业常见的认知偏差不同，APD 并非“增益越高越好”：倍增因子提高会带来过剩噪声快速上升，实际系统中 M 通常被优化在最佳信噪比工作点。此外，APD 对温度极为敏感，偏压需随温度做动态调整或温补，这直接增加了 TIA 外围电路和封装的复杂性。

3 技术原理

APD 的物理基础是光吸收与碰撞电离两个过程。入射光子被吸收区材料吸收后产生电子-空穴对，在反向强偏压作用下，这些一次载流子被加速至足够高的能量，撞击晶格原子使其电离，产生二次载流子。二次载流子继续被加速并引发更多电离，形成载流子雪崩倍增。

倍增过程用倍增因子 M 描述，对应一个载流子穿过倍增区后产生总载流子数的平均值。M 随偏压 VR 变化的经典近似关系为：

M = 1 / [1 − (VR/Vbr)^n]

其中 Vbr 为击穿电压，n 是材料相关经验指数。硅 APD 的 n 通常在 1.5–3 之间，InGaAs/InP 体系 n 范围较宽，与倍增区材料设计密切相关。

倍增过程本质上是随机的，某些载流子倍增较多、某些较少，这导致倍增后的电流含有额外起伏，表现为过剩散粒噪声，用过剩噪声系数 F(M) 表征。简单模型中 F(M) ≈ k·M + (1−k)·(2−1/M)，k 为电离系数比。硅 k 值很小（约 0.02−0.05），过剩噪声最低；InP 倍增区 k 值常在 0.3−0.5，噪声明显高于硅。这也解释了为什么在 1550 nm 波段虽可用 InGaAs 吸收，但倍增区仍倾向于用 InP 或引入异质倍增区设计来控制噪声。

APD 的典型结构采用吸收区与倍增区分离的 SAM 结构，使光吸收与载流子倍增在两个区域独立优化。SACM 结构则在此基础上加入电荷层以调控电场分布，进一步提升响应度和带宽。InGaAs/InP APD 通常在 InGaAs 吸收 1550 nm 光，在 InP 中进行倍增；Si APD 吸收与倍增均在硅层中完成，适用于可见光至近红外（400–1100 nm），在 905 nm 灵敏度极高。

温度对 APD 影响的核心机制是：随温度升高，晶格振动增强，载流子迁移率和平均自由程下降，导致电离阈值升高，击穿电压 Vbr 上升。因此恒定偏压下，温度升高时 M 实际降低。实际产品通常内置热敏电阻或温度传感器用于补偿或闭环偏压控制。

另一个常被忽视的要点是边缘击穿。在结边缘若电场集中，会在低于设计击穿电压处提前发生局部雪崩，严重影响器件良率和长期可靠性。因此多数高性能 APD 都采用保护环或倒角终端结构。

4 关键参数

倍增因子与工作偏压范围

M 值是核心指标，但在数据手册中通常以工作偏压 VR 和对应 M 范围给出。例如一款 InGaAs/InP APD 在 M=10 时偏压约 40−55 V（具体视温度与批次）。需注意，M 的提升会伴随带宽下降与噪声增大，因此系统设计中取的是平衡工作点。

响应度与量子效率

APD 响应度 R_APD = M·R0，其中 R0 为本征响应度。对于 InGaAs APD，R0 在 1550 nm 典型约 0.85−0.95 A/W；Si APD 在 905 nm 峰值响应度可达 50−60 A/W（对应 M=50−70）。需区分“倍增后响应度”和“未倍增响应度”，避免直接与其他类型探测器横向对比时口径错位。

过剩噪声系数与噪声等效功率

F(M) 是系统设计中的关键限制因素。好的 Si APD 在 M=100 时 F(M) 可小于 3，而 InGaAs/InP APD 在 M=10 时 F(M) 可能达 4−6。NEP 噪声等效功率在 0.05−0.5 pW/√Hz 量级，视材料、M、封装与带宽而定。

3dB 带宽与增益带宽积

带宽受限于载流子渡越时间与结电容。典型 10G APD 带宽 7−8 GHz，25G APD 则需 18−20 GHz 以上带宽。硅 APD 增益带宽积可达数百 GHz，InGaAs/InP 体系通常在 100−150 GHz 量级。

暗电流与温度系数

暗电流分为体暗电流和表面漏电流，前者随 M 倍增而放大，后者基本不倍增，是噪声本底。数据手册通常分 M=1 和 M=10 两种情况给值。温度每升 10°C，暗电流大致翻倍。击穿电压温度系数硅约为 0.05−0.1 V/°C，InP 约 0.1−0.15 V/°C，对高压电源设计影响显著。

击穿电压与盖革模式门槛

非盖革模式 APD 偏压略低于 Vbr（例如 Vbr−2 V）。SPAD 工作在 Vbr 以上 2−5 V，但该模式已超出传统 APD 讨论范畴。部分产品给出推荐工作温度区间的 Vbr 参考曲线，是温补电路设计的关键依据。

截止 2025 年 7 月，公开资料未见统一行业标准对 APD 参数测试条件的强制性规范，各供应商在温度、偏压、光斑尺寸等测试条件上差异明显，因此横向对比时需追溯测试口径。

5 技术路线

目前产业级 APD 主要分为三条技术路线：

硅 APD 路线

以 Si 为材料体系，覆盖 400−1100 nm 波段，在 905 nm 效率突出。成本低、工艺成熟、过剩噪声小，是车载激光雷达和通用光电探测的主力。主流尺寸为 200 μm 或 500 μm 直径。代表供应商包括 Hamamatsu、First Sensor (TE Connectivity)、Excelitas 等。近年来国内如北京敏光科技等已实现批量出货。

InGaAs/InP APD 路线

面向 1550 nm 波段光通信核心窗口，采用 InGaAs 吸收层与 InP 倍增层异质结方案，典型带宽覆盖 2.5G 到 25G。当前 10G EPON/GPON 与 25G 前传对 InGaAs APD 的需求稳定。该路线挑战在于：InP 倍增噪声偏高，暗电流对缺陷敏感，外延均匀性直接影响良率。

SiGe 近红外 APD 与宽带探测路线

利用 SiGe 合金在 1310 nm 附近实现较低成本探测，在数据中心短距互联场景有一定探索，但整体市场份额远小于前两条路线，技术成熟度与性价比仍在验证中。

SPAD 与 SiPM 路线

严格而言已超出传统线性模式 APD 范畴。SPAD 在盖革模式下工作，单光子可触发雪崩击穿；SiPM 则是多个 SPAD 单元并联并配备淬灭电阻的阵列器件。用于 dToF 的 SiPM 当前在车载 Flash 激光雷达和消费电子测距中上升迅速，是 APD 概念的重要延伸。

技术路线的演进方向还包括：高增益带宽积 APD（适用于单波 100G/200G 接收）、低噪声 InGaAs APD 优化、硅基锗吸收结构与硅光集成接收器等，这些尚处于量产化早期或特定场景验证阶段。

6 上游

APD 上游核心是 III-V 族化合物半导体外延片与晶圆代工，涉及 InP 衬底、GaAs 衬底和 Si 衬底。

外延材料

InGaAs/InP APD 依赖高质量 InP 衬底及 InGaAs 吸收层、InP 倍增层、过渡层等多层外延结构。全球主要衬底供应商包括住友电工、AXT、通快（TRUMPF）等，InP 衬底单价高、缺陷密度控制难度大，是影响器件成本的关键项之一。

日本在 InP 衬底及外延领域长期具有产能优势，截至 2023 年，住友电工在 InP 衬底市场份额估计超过 50%（引用自 Yole Group 2023 年报告相关数据）。国内方面，中科晶电、云南锗业等公司涉足 InP 衬底生产，但在高纯半绝缘与大尺寸（≥4 英寸）上与日本领先厂商存在显著代差。

晶圆制造与代工

APD 制造集合了精密掺杂控制、保护环结构、台面刻蚀或平面钝化等工艺。部分 IDM 如 Hamamatsu、Broadcom、Lumentum 自研工艺线；Fabless 企业则依赖专业化合物半导体代工厂，如稳懋半导体、宏捷科技（AWSC）等。公开信息中，未见大规模纯代工的 InGaAs APD 公开产能数据，据行业推测，全球 InGaAs APD 晶圆产能约一半掌握在 IDM 手中。

封装与 TIA 共封装

APD 封装通常与 TIA 进行共封装以降低寄生效应，典型方案为 TO-CAN 或蝶形管壳，部分高速器件采用裸芯片键合至陶瓷基板的 COB 方案。关键上游材料还包括陶瓷基板、热沉和光窗等。

7 下游

APD 下游以光通信和激光雷达为两大支柱，也延伸至测试测量、医疗成像与科研应用。

光通信

10G PON、25G 前传和少量 100G/400G 中长距链路使用 APD 接收方案。在 OLT 和 ONU 侧，当链路预算要求在 −28 dBm 甚至 −32 dBm 以下时，APD 是必然选择。依据 LightCounting 2024 年测算，全球 PON OLT/ONU 光模块出货量约 1.2 亿只，其中 APD 方案占比约 25%−30%，对应约 3000 万到 3600 万颗 APD 芯片需求（口径含 InGaAs 通信级 APD）。

车载激光雷达

905 nm 长距激光雷达主流方案以 Si APD 阵列或 SiPM 为接收器件。据 Yole Group 2024 年数据，全球车载激光雷达出货约 80 万颗（2023 年口径），对应 APD 与 SiPM 需求随多通道设计大幅倍增。一颗 128 线激光雷达即需上百个探测单元，即便其中部分采用 CMOS SPAD 方案，仍大量消耗 Si APD 和 SiPM。

测试测量与医疗

OTDR 广泛使用 InGaAs APD 实现长距离光纤链路检测。在荧光寿命分析、流式细胞仪、激光共聚焦显微镜中，Si APD 和 SiPM 提供高灵敏度弱光探测。上述市场体量小于光通信与车载，但单价较高，具备稳定利润空间。

此外，量子通信（QKD）接收端常采用 InGaAs SPAD 或超导探测器，属于 APD 技术的高端延伸场景，全球总体出货量尚在十万只/年级别（2023 年估算，来源：公开信息综合）。

8 受益公司

• Broadcom：在光通信 APD 芯片与 TIA 集成方案上布局深厚，10G/25G PON 市场重要供应商，同时提供车载激光雷达用 APD。
• Lumentum：InGaAs APD 与相干接收前端芯片长期供应商，受益于 25G 前传和数据中心中长距互联。
• Hamamatsu Photonics：跨 Si APD、InGaAs APD、SiPM、SPAD 产品的全谱系探测器厂商，在激光雷达参考设计和科学仪器领域地位稳固。
• 三菱电机：10G PON InGaAs APD 历史主力供应商，产品广泛用于 OLT 侧。
• 北京敏光科技：国内批量供应 Si APD 和 InGaAs APD 芯片及 TO-CAN，产品覆盖光通信与激光雷达，已取得部分车企和模块客户定点或小批量供货。
• First Sensor (TE Connectivity)：高端 Si APD 制造商，在工业激光雷达和高端仪器中应用广泛。
• Onsemi (SiPM)、Broadcom/STMicroelectronics (SPAD dToF)：在车载和消费电子 dToF 中具备 SPAD/SiPM 阵列方案，间接推动 APD 型探测器概念扩大覆盖。

注：以上仅基于公开财报、产品发布与行业报告归纳，不作为任何形式的投资或买入建议。

9 市场规模

根据 Yole Group 2024 年发布的光电探测器市场跟踪报告及 LightCounting 2024 年光模块市场预测：2023 年全球 APD 芯片与模组（含 Si APD、InGaAs APD，不含 CMOS SPAD）市场规模约为 3.8 亿−4.2 亿美元，预计到 2028 年将增长至 6.5 亿−7.5 亿美元，对应 5 年 CAGR 约 11%−13%。

其中，光通信 APD（以 InGaAs/InP 为主）占比约 60%−65%，车载激光雷达用 Si APD 与 SiPM 占比从 2021 年的不到 10% 快速上升至 2023 年的约 20%−25%，预计 2028 年可接近 35%。检测与医疗等细分市场体量稳定在约 5000 万−6000 万美元级别。

中国市场在全球 APD 消费量中地位快速上升。据公开产业估计，2023 年中国消耗的 APD 芯片与模组占全球份额约 35%−40%，在 PON 与车载激光雷达两个赛道的需求尤为强劲，但国产供给占比仍偏低（芯片层面估计约 10%−15%），进口替代空间是产业关注焦点之一。

10 玩家对比

以 25G 光通信 InGaAs APD 和 905 nm 车载 Si APD 两个核心品类划分：

25G InGaAs APD（光通信）

Broadcom 和 Lumentum 掌握高端话语权，在带宽、暗电流、温度系数上指标领先，批量一致性有长期出货数据支撑。三菱电机在 10G PON 端保有较高份额，但在 25G 以上面临新进入者竞争。国内厂商中，敏光科技、武汉灵途、飞通等已完成 25G InGaAs APD 的样品或小批量，公开资料未见大规模产线级良率与长期可靠性报告，但部分厂商在模块客户中已进入验证替换阶段。

905 nm Si APD（车载激光雷达）

Hamamatsu 在 905 nm 高灵敏度 Si APD 及阵列产品上占据技术高位，同时也是众多激光雷达公司参考设计的首选。First Sensor 高端产品在脉冲响应一致性上受工业客户认可。北京敏光等国内厂商产品在主流 200 μm 和 500 μm 管芯规格上指标接近海外同级，价格更具竞争力，已在多个国产激光雷达项目中批量交付。

SiPM 阵列对比

Onsemi 与 Broadcom 在消费电子和汽车 dToF SiPM 出货上规模领先。Hamamatsu 的 MPPC 系列在科研和高端仪器中地位稳固。国内初创和转型企业进入者大量增加，但存在明显性能离散与可靠性认证不足问题，多数仍处于送样或小批量阶段。

11 风险

技术替代风险

SPAD/SiPM 阵列配合 dToF 方案在消费电子测距和车载 Flash 激光雷达中快速渗透，对部分传统线性模式 APD 需求形成替代。尤其在近程、面阵式应用上，CMOS SPAD 集成度和成本优势明显。线性 APD 若不能在增益带宽积和阵列化上持续进步，可能在细分场景被边缘化。

竞争加剧与价格下降

光通信 APD 平均售价 2021−2023 年以每年约 8%−12% 的幅度下降（来源：LightCounting 2024 年报告），中国厂商加速进入将进一步推动单价走低。国内 InGaAs APD 芯片平均毛利率或从先前的 50%−60% 区间，逐步下降至 35%−45%（产业估算口径，未上市公司数据不可得）。

材料与供应链集中风险

高品质 InP 衬底和 III-V 外延产能高度集中于日本少数供应商，全球地缘摩擦和出口管制可能影响交货周期与成本。2023 年已出现部分 InP 衬底交期延长至 20 周以上的情况。

可靠性认证壁垒

车载应用的 AEC-Q102 认证和光通信应用的 Telcordia GR-468 测试周期长、成本高，对中小企业是显著壁垒。部分国内产品虽在常温指标上接近进口，但在温循、湿热等严苛条件下的长寿命表现公开数据不足。

12 误读纠偏

• “APD 增益越高越灵敏”：系统灵敏度取决于信噪比而非单纯 M 值。高 M 下过剩噪声急剧升高，实际系统选取最佳 M 使 SNR 最大化，而非 M 最大值。
• “SPAD 就是 APD”：SPAD 利用盖革模式雪崩对单光子触发，工作机理与传统线性模式 APD 有本质差异，前者输出为数字脉冲，后者为模拟电流。
• “InGaAs APD 可以替代 Si APD”：两者工作波段不同，Si APD 在 905 nm 处仍有最优性价比和较低暗电流，不能简单横向替代。
• “暗电流大就说明器件差”：需要区分是否在倍增状态下。M=1 时暗电流反映材料缺陷与表面漏电，M=10 下的暗电流包含了倍增后贡献，两者不可直接对比。
• “APD 方案整体比 PIN 贵很多”：仅看器件单价确实贵，但在链路预算紧张时，用 APD 可减少光放大器、增加传输距离或降低光源功率要求，系统总成本可能反优，需用链路预算视角评估。

13 最新事件

• 2024 年下半年至 2025 年上半年，多家国产激光雷达公司相继推出面向 L3 级别乘用车的长距主激光雷达，其中接收方案大量采用 Si APD 阵列和 SiPM，直接拉动国内相关 APD 供应商出货。
• 2024 年 11 月，某头部光模块厂商在投资者交流中提到，已在 25G 前传模块中完成国产 InGaAs APD 的初步替代验证，预计 2025 年起逐步导入批量采购。
• 2025 年 4 月，有上市公司公告称旗下 InGaAs APD 芯片出货量突破 500 万颗，主要面向 10G PON 和 OTDR 市场，但该数字统计口径未含 SPAD 型产品。
• 2025 年 6 月，Hamamatsu 发布新一代 905 nm Si APD 阵列，将串扰指标降低约 30%（对比上一代产品参数），并优化了光敏区填充因子，对高分辨率激光雷达更有适配性。
• 公开信息显示，某欧洲车企在 2025 款车型上将前向长距激光雷达的接收方案从分立 APD 切换为 SiPM 阵列，被产业解读为 SiPM 在车载领域渗透加速的信号，但这一变化对雷达整机成本的影响尚未公开披露。

14 跟踪指标

• 光模块接收端方案占比：监测 LightCounting 季度报告中的 APD vs. PIN 出货量比例，尤其是 10G/25G PON 及 100G LR1/ER1 方案选用率。
• 激光雷达接收器件选型趋势：跟进主要激光雷达公司（速腾聚创、禾赛科技、图达通、法雷奥等）新产品发布中的探测器路线选择（APD 阵列 vs. SiPM vs. CMOS SPAD）。
• 上游衬底与晶圆价格：日本住友电工、AXT 的季度财报中 InP 衬底销量与均价变动，可作为供给端紧张程度的先导指标。
• 核心器件价格与交期：主流 10G/25G InGaAs APD TO-CAN 模组的市场均价变化，以及主要代理商公布的交货周期。
• 关键厂商产能扩充动态：关注国内敏光科技、灵途科技等在 APD 晶圆线和封装产能方面的公开信息披露，验证国产替代进度。
• 车载认证进展：各供应商取得 AEC-Q102 认证的探测器型号清单更新，是进入前装市场的硬性门槛指标。
• 新技术路线进程：硅光集成接收器、锗硅 APD 等新型方案的量产化进展与客户验证情况，这可能会对传统分立 InGaAs APD 造成结构性影响。

15 信源

• Hamamatsu Photonics, Avalanche Photodiodes: https://www.hamamatsu.com/us/en/product/optical-sensors/apd.html
• RP Photonics Encyclopedia, Avalanche Photodiodes: https://www.rp-photonics.com/avalanche_photodiodes.html
• Yole Group, Photodetectors for Lidar and Sensing 2024 （行业市场规模与份额数据主要引用基础）
• LightCounting, Optical Components Market Forecast Report 2024 （光通信 APD 出货与价格数据主要引用基础）
• First Sensor, APD Data Book （器件参数案例参考）
• Broadcom, Optical Sensor Products (产品信息参引)
• Lumentum, Photonic Components （InGaAs 探测器产品系列参引）
• 公开产业调研、公司公告及投资者交流纪要（2024−2025 年，用于最新事件与国产替代验证信息）