APD 光電探測器

1 3 秒看懂

• 一句話：APD 在反向高偏壓下藉助內部雪崩倍增，把極弱光訊號先做本徵放大，再交後端電路處理，從而在噪聲優勢上遠超普通 PIN 探測器。
• 核心用處：解決遠距離光傳輸、雷射雷達、微弱熒光等場景中“光訊號太弱、電路噪聲太大”的根本矛盾，讓系統能把被底層噪聲淹沒的訊號可靠提取出來。
• 三個必看維度：倍增因子決定訊號增益上限；過剩噪聲係數決定實際訊雜比優劣；溫度敏感性與偏壓控制決定長期穩定性與量產一致性。
• 產業關鍵詞：光通訊接收端、雷射雷達長距探測、單光子計數、ROSA 光接收元件。

2 3 分鐘產業解釋

雪崩光電二極體本質上是一種能夠內部放大光電流的半導體光探測器。它工作在反向偏壓接近但略低於擊穿電壓的區域，利用載流子在強電場下的碰撞電離，使一個光子產生的電子-空穴對被倍增為幾十至幾百對，從而實現電流增益。這個增益發生在電訊號離開探測器之前，因此可以有效壓制後端跨阻放大器引入的熱噪聲，使系統訊雜比大幅提升。

在產業語境中，APD 並不是一個孤立器件，而是基本以“APD＋TIA”繫結方案出現在光接收元件中。在 10G/25G/100G 中長距光模組中，APD 方案相比 PIN 方案雖然成本更高、偏壓控制更復雜，但在靈敏度預算緊張時往往是唯一可行解。在車載長距雷射雷達中，Si APD 或 SiPM 陣列可以在 905 nm 波段以相對低成本實現百米級探測；InGaAs APD/SPAD 則在 1550 nm 波段雷射雷達中承擔人眼安全條件下的長距探測任務。

與產業常見的認知偏差不同，APD 並非“增益越高越好”：倍增因子提高會帶來過剩噪聲快速上升，實際系統中 M 通常被最佳化在最佳訊雜比工作點。此外，APD 對溫度極為敏感，偏壓需隨溫度做動態調整或溫補，這直接增加了 TIA 外圍電路和封裝的複雜性。

3 技術原理

APD 的物理基礎是光吸收與碰撞電離兩個過程。入射光子被吸收區材料吸收後產生電子-空穴對，在反向強偏壓作用下，這些一次載流子被加速至足夠高的能量，撞擊晶格原子使其電離，產生二次載流子。二次載流子繼續被加速並引發更多電離，形成載流子雪崩倍增。

倍增過程用倍增因子 M 描述，對應一個載流子穿過倍增區後產生總載流子數的平均值。M 隨偏壓 VR 變化的經典近似關係為：

M = 1 / [1 − (VR/Vbr)^n]

其中 Vbr 為擊穿電壓，n 是材料相關經驗指數。矽 APD 的 n 通常在 1.5–3 之間，InGaAs/InP 體系 n 範圍較寬，與倍增區材料設計密切相關。

倍增過程本質上是隨機的，某些載流子倍增較多、某些較少，這導致倍增後的電流含有額外起伏，表現為過剩散粒噪聲，用過剩噪聲係數 F(M) 表徵。簡單模型中 F(M) ≈ k·M + (1−k)·(2−1/M)，k 為電離係數比。矽 k 值很小（約 0.02−0.05），過剩噪聲最低；InP 倍增區 k 值常在 0.3−0.5，噪聲明顯高於矽。這也解釋了為什麼在 1550 nm 波段雖可用 InGaAs 吸收，但倍增區仍傾向於用 InP 或引入異質倍增區設計來控制噪聲。

APD 的典型結構採用吸收區與倍增區分離的 SAM 結構，使光吸收與載流子倍增在兩個區域獨立最佳化。SACM 結構則在此基礎上加入電荷層以調控電場分佈，進一步提升響應度和頻寬。InGaAs/InP APD 通常在 InGaAs 吸收 1550 nm 光，在 InP 中進行倍增；Si APD 吸收與倍增均在矽層中完成，適用於可見光至近紅外（400–1100 nm），在 905 nm 靈敏度極高。

溫度對 APD 影響的核心機制是：隨溫度升高，晶格振動增強，載流子遷移率和平均自由程下降，導致電離閾值升高，擊穿電壓 Vbr 上升。因此恆定偏壓下，溫度升高時 M 實際降低。實際產品通常內建熱敏電阻或溫度感測器用於補償或閉環偏壓控制。

另一個常被忽視的要點是邊緣擊穿。在結邊緣若電場集中，會在低於設計擊穿電壓處提前發生區域性雪崩，嚴重影響器件良率和長期可靠性。因此多數高效能 APD 都採用保護環或倒角終端結構。

4 關鍵引數

倍增因子與工作偏壓範圍

M 值是核心指標，但在資料手冊中通常以工作偏壓 VR 和對應 M 範圍給出。例如一款 InGaAs/InP APD 在 M=10 時偏壓約 40−55 V（具體視溫度與批次）。需注意，M 的提升會伴隨頻寬下降與噪聲增大，因此係統設計中取的是平衡工作點。

響應度與量子效率

APD 響應度 R_APD = M·R0，其中 R0 為本徵響應度。對於 InGaAs APD，R0 在 1550 nm 典型約 0.85−0.95 A/W；Si APD 在 905 nm 峰值響應度可達 50−60 A/W（對應 M=50−70）。需區分“倍增後響應度”和“未倍增響應度”，避免直接與其他型別探測器橫向對比時口徑錯位。

過剩噪聲係數與噪聲等效功率

F(M) 是系統設計中的關鍵限制因素。好的 Si APD 在 M=100 時 F(M) 可小於 3，而 InGaAs/InP APD 在 M=10 時 F(M) 可能達 4−6。NEP 噪聲等效功率在 0.05−0.5 pW/√Hz 量級，視材料、M、封裝與頻寬而定。

3dB 頻寬與增益頻寬積

頻寬受限於載流子渡越時間與結電容。典型 10G APD 頻寬 7−8 GHz，25G APD 則需 18−20 GHz 以上頻寬。矽 APD 增益頻寬積可達數百 GHz，InGaAs/InP 體系通常在 100−150 GHz 量級。

暗電流與溫度係數

暗電流分為體暗電流和表面漏電流，前者隨 M 倍增而放大，後者基本不倍增，是噪聲本底。資料手冊通常分 M=1 和 M=10 兩種情況給值。溫度每升 10°C，暗電流大致翻倍。擊穿電壓溫度係數矽約為 0.05−0.1 V/°C，InP 約 0.1−0.15 V/°C，對高壓電源設計影響顯著。

擊穿電壓與蓋革模式門檻

非蓋革模式 APD 偏壓略低於 Vbr（例如 Vbr−2 V）。SPAD 工作在 Vbr 以上 2−5 V，但該模式已超出傳統 APD 討論範疇。部分產品給出推薦工作溫度區間的 Vbr 參考曲線，是溫補電路設計的關鍵依據。

截止 2025 年 7 月，公開資料未見統一行業標準對 APD 引數測試條件的強制性規範，各供應商在溫度、偏壓、光斑尺寸等測試條件上差異明顯，因此橫向對比時需追溯測試口徑。

5 技術路線

目前產業級 APD 主要分為三條技術路線：

矽 APD 路線

以 Si 為材料體系，覆蓋 400−1100 nm 波段，在 905 nm 效率突出。成本低、工藝成熟、過剩噪聲小，是車載雷射雷達和通用光電探測的主力。主流尺寸為 200 μm 或 500 μm 直徑。代表供應商包括 Hamamatsu、First Sensor (TE Connectivity)、Excelitas 等。近年來國內如北京敏光科技等已實現批量出貨。

InGaAs/InP APD 路線

面向 1550 nm 波段光通訊核心視窗，採用 InGaAs 吸收層與 InP 倍增層異質結方案，典型頻寬覆蓋 2.5G 到 25G。當前 10G EPON/GPON 與 25G 前傳對 InGaAs APD 的需求穩定。該路線挑戰在於：InP 倍增噪聲偏高，暗電流對缺陷敏感，外延均勻性直接影響良率。

SiGe 近紅外 APD 與寬頻探測路線

利用 SiGe 合金在 1310 nm 附近實現較低成本探測，在資料中心短距互聯場景有一定探索，但整體市場份額遠小於前兩條路線，技術成熟度與價效比仍在驗證中。

SPAD 與 SiPM 路線

嚴格而言已超出傳統線性模式 APD 範疇。SPAD 在蓋革模式下工作，單光子可觸發雪崩擊穿；SiPM 則是多個 SPAD 單元並聯並配備淬滅電阻的陣列器件。用於 dToF 的 SiPM 當前在車載 Flash 雷射雷達和消費電子測距中上升迅速，是 APD 概念的重要延伸。

技術路線的演進方向還包括：高增益頻寬積 APD（適用於單波 100G/200G 接收）、低噪聲 InGaAs APD 最佳化、矽基鍺吸收結構與矽光整合接收器等，這些尚處於量產化早期或特定場景驗證階段。

6 上游

APD 上游核心是 III-V 族化合物半導體外延片與晶圓代工，涉及 InP 襯底、GaAs 襯底和 Si 襯底。

外延材料

InGaAs/InP APD 依賴高質量 InP 襯底及 InGaAs 吸收層、InP 倍增層、過渡層等多層外延結構。全球主要襯底供應商包括住友電工、AXT、通快（TRUMPF）等，InP 襯底單價高、缺陷密度控制難度大，是影響器件成本的關鍵項之一。

日本在 InP 襯底及外延領域長期具有產能優勢，截至 2023 年，住友電工在 InP 襯底市場份額估計超過 50%（引用自 Yole Group 2023 年報告相關資料）。國內方面，中科晶電、雲端南鍺業等公司涉足 InP 襯底生產，但在高純半絕緣與大尺寸（≥4 英寸）上與日本領先廠商存在顯著代差。

晶圓製造與代工

APD 製造集合了精密摻雜控制、保護環結構、檯面刻蝕或平面鈍化等工藝。部分 IDM 如 Hamamatsu、Broadcom、Lumentum 自研工藝線；Fabless 企業則依賴專業化合物半導體代工廠，如穩懋半導體、宏捷科技（AWSC）等。公開資訊中，未見大規模純代工的 InGaAs APD 公開產能資料，據行業推測，全球 InGaAs APD 晶圓產能約一半掌握在 IDM 手中。

封裝與 TIA 共封裝

APD 封裝通常與 TIA 進行共封裝以降低寄生效應，典型方案為 TO-CAN 或蝶形管殼，部分高速器件採用裸晶片鍵合至陶瓷基板的 COB 方案。關鍵上游材料還包括陶瓷基板、熱沉和光窗等。

7 下游

APD 下游以光通訊和雷射雷達為兩大支柱，也延伸至測試測量、醫療成像與科研應用。

光通訊

10G PON、25G 前傳和少量 100G/400G 中長距鏈路使用 APD 接收方案。在 OLT 和 ONU 側，當鏈路預算要求在 −28 dBm 甚至 −32 dBm 以下時，APD 是必然選擇。依據 LightCounting 2024 年測算，全球 PON OLT/ONU 光模組出貨量約 1.2 億隻，其中 APD 方案佔比約 25%−30%，對應約 3000 萬到 3600 萬顆 APD 晶片需求（口徑含 InGaAs 通訊級 APD）。

車載雷射雷達

905 nm 長距雷射雷達主流方案以 Si APD 陣列或 SiPM 為接收器件。據 Yole Group 2024 年資料，全球車載雷射雷達出貨約 80 萬顆（2023 年口徑），對應 APD 與 SiPM 需求隨多通道設計大幅倍增。一顆 128 線雷射雷達即需上百個探測單元，即便其中部分採用 CMOS SPAD 方案，仍大量消耗 Si APD 和 SiPM。

測試測量與醫療

OTDR 廣泛使用 InGaAs APD 實現長距離光纖鏈路檢測。在熒光壽命分析、流式細胞儀、雷射共聚焦顯微鏡中，Si APD 和 SiPM 提供高靈敏度弱光探測。上述市場體量小於光通訊與車載，但單價較高，具備穩定獲利空間。

此外，量子通訊（QKD）接收端常採用 InGaAs SPAD 或超導探測器，屬於 APD 技術的高階延伸場景，全球總體出貨量尚在十萬只/年級別（2023 年估算，來源：公開資訊綜合）。

8 受益公司

• Broadcom：在光通訊 APD 晶片與 TIA 整合方案上版面配置深厚，10G/25G PON 市場重要供應商，同時提供車載雷射雷達用 APD。
• Lumentum：InGaAs APD 與相干接收前端晶片長期供應商，受益於 25G 前傳和資料中心中長距互聯。
• Hamamatsu Photonics：跨 Si APD、InGaAs APD、SiPM、SPAD 產品的全譜系探測器廠商，在雷射雷達參考設計和科學儀器領域地位穩固。
• 三菱電機：10G PON InGaAs APD 歷史主力供應商，產品廣泛用於 OLT 側。
• 北京敏光科技：國內批次供應 Si APD 和 InGaAs APD 晶片及 TO-CAN，產品覆蓋光通訊與雷射雷達，已取得部分車企和模組客戶定點或小批次供貨。
• First Sensor (TE Connectivity)：高階 Si APD 製造商，在工業雷射雷達和高階儀器中應用廣泛。
• Onsemi (SiPM)、Broadcom/STMicroelectronics (SPAD dToF)：在車載和消費電子 dToF 中具備 SPAD/SiPM 陣列方案，間接推動 APD 型探測器概念擴大覆蓋。

注：以上僅基於公開財報、產品釋出與行業報告歸納，不作為任何形式的投資或買進建議。

9 市場規模

根據 Yole Group 2024 年釋出的光電探測器市場追蹤報告及 LightCounting 2024 年光模組市場預測：2023 年全球 APD 晶片與模組（含 Si APD、InGaAs APD，不含 CMOS SPAD）市場規模約為 3.8 億−4.2 億美元，預計到 2028 年將增長至 6.5 億−7.5 億美元，對應 5 年 CAGR 約 11%−13%。

其中，光通訊 APD（以 InGaAs/InP 為主）佔比約 60%−65%，車載雷射雷達用 Si APD 與 SiPM 佔比從 2021 年的不到 10% 快速上升至 2023 年的約 20%−25%，預計 2028 年可接近 35%。檢測與醫療等細分市場體量穩定在約 5000 萬−6000 萬美元級別。

中國市場在全球 APD 消費量中地位快速上升。據公開產業估計，2023 年中國消耗的 APD 晶片與模組佔全球份額約 35%−40%，在 PON 與車載雷射雷達兩個賽道的需求尤為強勁，但國產供給佔比仍偏低（晶片層面估計約 10%−15%），進口替代空間是產業關注焦點之一。

10 玩家對比

以 25G 光通訊 InGaAs APD 和 905 nm 車載 Si APD 兩個核心品類劃分：

25G InGaAs APD（光通訊）

Broadcom 和 Lumentum 掌握高階話語權，在頻寬、暗電流、溫度係數上指標領先，批次一致性有長期出貨資料支撐。三菱電機在 10G PON 端保有較高份額，但在 25G 以上面臨新進入者競爭。國內廠商中，敏光科技、武漢靈途、飛通等已完成 25G InGaAs APD 的樣品或小批次，公開資料未見大規模產線級良率與長期可靠性報告，但部分廠商在模組客戶中已進入驗證替換階段。

905 nm Si APD（車載雷射雷達）

Hamamatsu 在 905 nm 高靈敏度 Si APD 及陣列產品上佔據技術高位，同時也是眾多雷射雷達公司參考設計的首選。First Sensor 高階產品在脈衝響應一致性上受工業客戶認可。北京敏光等國內廠商產品在主流 200 μm 和 500 μm 管芯規格上指標接近海外同級，價格更具競爭力，已在多個國產雷射雷達專案中批次交付。

SiPM 陣列對比

Onsemi 與 Broadcom 在消費電子和汽車 dToF SiPM 出貨上規模領先。Hamamatsu 的 MPPC 系列在科研和高階儀器中地位穩固。國內初創和轉型企業進入者大量增加，但存在明顯效能離散與可靠性認證不足問題，多數仍處於送樣或小批次階段。

11 風險

技術替代風險

SPAD/SiPM 陣列配合 dToF 方案在消費電子測距和車載 Flash 雷射雷達中快速滲透，對部分傳統線性模式 APD 需求形成替代。尤其在近程、面陣式應用上，CMOS SPAD 整合度和成本優勢明顯。線性 APD 若不能在增益頻寬積和陣列化上持續進步，可能在細分場景被邊緣化。

競爭加劇與價格下降

光通訊 APD 平均售價 2021−2023 年以每年約 8%−12% 的幅度下降（來源：LightCounting 2024 年報告），中國廠商加速進入將進一步推動單價走低。國內 InGaAs APD 晶片平均毛利率或從先前的 50%−60% 區間，逐步下降至 35%−45%（產業估算口徑，未上市公司資料不可得）。

材料與供應鏈集中風險

高品質 InP 襯底和 III-V 外延產能高度集中於日本少數供應商，全球地緣摩擦和出口管制可能影響交貨週期與成本。2023 年已出現部分 InP 襯底交期延長至 20 周以上的情況。

可靠性認證壁壘

車載應用的 AEC-Q102 認證和光通訊應用的 Telcordia GR-468 測試周期長、成本高，對中小企業是顯著壁壘。部分國內產品雖在常溫指標上接近進口，但在溫循、溼熱等嚴苛條件下的長壽命表現公開資料不足。

12 誤讀糾偏

• “APD 增益越高越靈敏”：系統靈敏度取決於訊雜比而非單純 M 值。高 M 下過剩噪聲急劇升高，實際系統選取最佳 M 使 SNR 最大化，而非 M 最大值。
• “SPAD 就是 APD”：SPAD 利用蓋革模式雪崩對單光子觸發，工作機理與傳統線性模式 APD 有本質差異，前者輸出為數字脈衝，後者為模擬電流。
• “InGaAs APD 可以替代 Si APD”：兩者工作波段不同，Si APD 在 905 nm 處仍有最優價效比和較低暗電流，不能簡單橫向替代。
• “暗電流大就說明器件差”：需要區分是否在倍增狀態下。M=1 時暗電流反映材料缺陷與表面漏電，M=10 下的暗電流包含了倍增後貢獻，兩者不可直接對比。
• “APD 方案整體比 PIN 貴很多”：僅看器件單價確實貴，但在鏈路預算緊張時，用 APD 可減少光放大器、增加傳輸距離或降低光源功率要求，系統總成本可能反優，需用鏈路預算視角評估。

13 最新事件

• 2024 年下半年至 2025 年上半年，多家國產雷射雷達公司相繼推出面向 L3 級別乘用車的長距主雷射雷達，其中接收方案大量採用 Si APD 陣列和 SiPM，直接拉動國內相關 APD 供應商出貨。
• 2024 年 11 月，某頭部光模組廠商在投資者交流中提到，已在 25G 前傳模組中完成國產 InGaAs APD 的初步替代驗證，預計 2025 年起逐步匯入批次採購。
• 2025 年 4 月，有上市公司公告稱旗下 InGaAs APD 晶片出貨量突破 500 萬顆，主要面向 10G PON 和 OTDR 市場，但該數字統計口徑未含 SPAD 型產品。
• 2025 年 6 月，Hamamatsu 釋出新一代 905 nm Si APD 陣列，將串擾指標降低約 30%（對比上一代產品引數），並優化了光敏區填充因子，對高解析度雷射雷達更有適配性。
• 公開資訊顯示，某歐洲車企在 2025 款車型上將前向長距雷射雷達的接收方案從分立 APD 切換為 SiPM 陣列，被產業解讀為 SiPM 在車載領域滲透加速的訊號，但這一變化對雷達整機成本的影響尚未公開揭露。

14 追蹤指標

• 光模組接收端方案佔比：監測 LightCounting 季度報告中的 APD vs. PIN 出貨量比例，尤其是 10G/25G PON 及 100G LR1/ER1 方案選用率。
• 雷射雷達接收器件選型趨勢：跟進主要雷射雷達公司（速騰聚創、禾賽科技、圖達通、法雷奧等）新產品釋出中的探測器路線選擇（APD 陣列 vs. SiPM vs. CMOS SPAD）。
• 上游襯底與晶圓價格：日本住友電工、AXT 的季度財報中 InP 襯底銷量與均價變動，可作為供給端緊張程度的先導指標。
• 核心器件價格與交期：主流 10G/25G InGaAs APD TO-CAN 模組的市場均價變化，以及主要代理商公佈的交貨週期。
• 關鍵廠商產能擴充動態：關注國內敏光科技、靈途科技等在 APD 晶圓線和封裝產能方面的公開資訊揭露，驗證國產替代進度。
• 車載認證進展：各供應商取得 AEC-Q102 認證的探測器型號清單更新，是進入前裝市場的硬性門檻指標。
• 新技術路線程序：矽光整合接收器、鍺矽 APD 等新型方案的量產化進展與客戶驗證情況，這可能會對傳統分立 InGaAs APD 造成結構性影響。

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 （行業市場規模與份額資料主要引用基礎）
• LightCounting, Optical Components Market Forecast Report 2024 （光通訊 APD 出貨與價格資料主要引用基礎）
• First Sensor, APD Data Book （器件引數案例參考）
• Broadcom, Optical Sensor Products (產品資訊參引)
• Lumentum, Photonic Components （InGaAs 探測器產品系列參引）
• 公開產業調研、公司公告及投資者交流紀要（2024−2025 年，用於最新事件與國產替代驗證資訊）