APD光电二极管综合实验.docx
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APD光电二极管综合实验
APD光电二极管综合实验仪
GCAPD-B
实
验
指
导
书
武汉光驰科技
WUHANGUANGCHITECHNOLOGYCO.,LTD
第一章APD光电二极管综合实验仪说明
一、产品介绍
雪崩光电二极管的特点是高速响应性和放大功能。
雪崩光电二极管（APD）的基片材料可采纳硅和锗等材料。
其结构是在n型基片上制作p层，然后在配置上p+层。
一样上部的电极制作成环状，这是考虑到能取得稳固的“雪崩”效应。
外来的光线通过薄的p+层，然后被p层吸收，从而产生了电子和空穴。
由于在p层上存在着105V/cm的电场，因此位于价带的电子被冲击离子化后，产生雪崩倍增效应，电子和空穴不断产生。
这种元件能够用作范围的光纤通信的受光装置和光磁盘的受光期间还，能够有效地处置微弱光线的问题，当量子效率为68%以上时，可取得大于300MHz的高速响应。
工作电压小于180V时，那么暗电流仅为。
采纳锗的APD所利用的波长范围接近于1m,由于它专用于光纤通信，因此其响应速度高达600MHz以上，偏压30V以下时，可取得高于55%的量子效率。
暗电流专门大，为左右。
GCAPD-B型APD雪崩光电二极管综合实验仪要紧研究APD光电二极管的大体特性，如光电流、暗电流、光照特性、光谱特性、伏安特性及时刻相应特性等，和这种光敏器件与其它光电器件的应用不同。
二、实验仪说明
一、电子电路部份结构散布
电子电路部份功能说明
（1）电压表：
独立电压表，可切换三档，200mV，2V，20V，通过拨段开关进行调剂，白色所指示的位置即为所对应的档位。
“+”“-”别离对应电压表的“正”“负”输入极。
（2）电流表：
独立电流表，可切换四档，200uA，2mA，20mA，200mA通过拨段开关进行调剂，白色所指示的位置即为所对应的档位。
“+”“-”别离对应电压表的“正”“负”输入极。
（3）照度计电源：
红色为照度计电源正极，黑色为照度计电源负极。
（４）直流电源：
0～200V可调，“0～200V”为直流电源的正极，另一端为负极。
（５）信号测试单元：
TP1：
与T1直接相连
TP2：
与T2直接相连
TP：
光脉冲调制信号测试端
注：
信号测试单元的GND与直流电源0～200V不共地。
二、光通路组件
图1光电二三极管光通路组件
功能说明：
分光镜：
50%透过50%反射镜，将平行光一半给照度计探头，一半给等测光器件，实验测试方便简单，照度计可实时检测出等测器件所接收的光照度。
光器件输出端：
红色——APD光电二极管“P”极
黑色——APD光电二极管“N”极
第二章APD光电二极管特性测试
一、实验目的
一、学习把握APD光电二极管的工作原理
二、学习把握APD光电二极管的大体特性
3、把握APD光电二极管特性测试方式
4、了解APD光电二极管的大体应用
二、实验内容
一、APD光电二极管暗电流测试实验
二、APD光电二极管光电流测试实验
3、APD光电二极管伏安特性测试实验
4、APD光电二极管雪崩电压测试实验
五、APD光电二极管光电特性测试实验
六、APD光电二极管时刻响应特性测试实验
7、APD光电二极管光谱特性测试实验
三、实验仪器
一、光电探测综合实验仪1个
二、光通路组件1套
3、光照度计1台
4、光敏电阻及封装组件1套
五、2#迭插头对（红色，50cm）10根
六、2#迭插头对（黑色，50cm）10根
7、三相电源线1根
八、实验指导书1本
九、示波器1台
四、实验原理
雪崩光电二极管APD—AvalanchePhotodiode是具有内部增益的光检测器，它能够用来检测微弱光信号并取得较大的输出光电流。
雪崩光电二极管能够取得内部增益是基于碰撞电离效应。
当PN结上加高的反向偏压时，耗尽层的电场很强，光生载流子通过时就会被电场加速，当电场强度足够高（约3x105V／cm）时，光生载流子取得专门大的动能，它们在高速运动中与半导体晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发出新的电子一空穴对，这种现象称为碰撞电离。
碰撞电离产生的电子一空穴对在强电场作用下一样又被加速，重复前一进程，如此多次碰撞电离的结果使载流子迅速增加，电流也迅速增大，那个物理进程称为雪崩倍增效应。
图6-1为APD的一种结构。
外侧与电极接触的P区和N区都进行了重搀杂，别离以P+和N+表示；在I区和N+区中间是宽度较窄的另一层P区。
APD工作在大的反偏压下，当反偏压加大到某一值后，耗尽层从N+-P结区一直扩展（或称拉通）到P+区，包括了中间的P层区和I区。
图6-1的结构为拉通型APD的结构。
从图中能够看到，电场在I区散布较弱，而在N+-P区散布较强，碰撞电离区即雪崩区就在N+-P区。
尽管I区的电场比N+-P区低得多，但也足够高（可达2x104V／cm），能够保证载流子达到饱和漂移速度。
当入射光照射时，由于雪崩区较窄，不能充分吸收光子，相当多的光子进入了I区。
I区很宽，能够充分吸收光子，提高光电转换效率。
咱们把I区吸收光子产生的电子-空穴对称为低级电子-空穴对。
在电场的作用下，低级光生电子从I区向雪崩区漂移，并在雪崩区产生雪崩倍增；而所有的低级空穴那么直接被P+层吸收。
在雪崩区通过碰撞电离产生的电子-空穴对称为二次电子-空穴对。
可见，I区仍然作为吸收光信号的区域并产生低级光生电子-空穴对，另外它还具有分离低级电子和空穴的作用，低级电子在N+-P区通过碰撞电离形成更多的电子-空穴对，从而实现对低级光电流的放大作用。
图6-1APD的结构及电场散布
碰撞电离产生的雪崩倍增进程本质上是统计性的，即为一个复杂的随机进程。
每一个低级光生电子-空穴对在什么位置产生，在什么位置发生碰撞电离，总共碰撞出多少二次电子一空穴对，这些都是随机的。
因此与PIN光电二极管相较，APD的特性较为复杂。
APD的雪崩倍增因子M概念为：
M=IP/IP0
式中：
IP是APD的输出平均电流；IP0是平均低级光生电流。
从概念可见，倍增因子是APD的电流增益系数。
由于雪崩倍增进程是一个随机进程，因此倍增因子是在一个平均之上随机起伏的量，雪崩倍增因子M的概念应明白得为统计平均倍增因子。
M随反偏压的增大而增大，随W的增加按指数增加。
APD的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声、热噪声和附加的倍增噪声。
倍增噪声是APD中的要紧噪声。
倍增噪声的产生要紧与两个进程有关，即光子被吸收产生低级电子-空穴对的随机性和在增益区产生二次电子-空穴对的随机性。
这两个进程都是不能准确测定的，因此APD倍增因子只能是一个统计平均的概念，表示为，它是一个复杂的随机函数。
由于APD具有电流增益，因此APD的响度比PIN的响应度大大提高，有
R0=（IP/P）=（ηq／hf）
量子效率只与低级光生载流子数量有关，不涉及倍增问题，故量子效率值老是小于1。
APD的线性工作范围没有PIN宽，它适宜于检测微弱光信号。
当光功率达到几uW以上时，输出电流和入射光功率之间的线性关系变坏，能够达到的最大倍增增益也降低了，即产生了饱和现象。
、
APD的这种非线性转换的缘故与PIN类似，主若是器件上的偏压不能维持恒定。
由于偏压降低，使得雪崩区变窄，倍增因子随之下降，这种阻碍比PIN的情形更明显。
它使得数字信号脉冲幅度产生紧缩，或使模拟信号产生波形畸变，应设法幸免。
在低偏压下，APD没有倍增效应。
当偏压升高时，产生倍增效应，输出信号电流增大。
当反向偏压接近某一电压VB时，电流倍增最大，现在称APD被击穿，电压VB称作击穿电压。
若是反偏压进一步提高，那么雪崩击穿电流使器件对光生载流子变的愈来愈不灵敏。
因此APD的偏置电压接近击穿电压，一样在数十伏到数百伏。
须注意的是击穿电压并非是APD的破坏电压，撤去该电压后APD仍能正常工作。
APD的暗电流有低级暗电流和倍增后的暗电流之分，它随倍增因子的增加而增加；另外还有漏电流，漏电流没有通过倍增。
APD的响应速度要紧取决于载流子完成倍增进程所需要的时刻，载流子越过耗尽层所需的渡越时刻和二极管结电容和负载电阻的RC时刻常数等因素。
而渡越时刻的阻碍相对照较大，其余因素可通过改良结构设计使阻碍减至很小。
五、实验预备
一、实验之前，请认真阅读光电探测综合实验仪说明，弄清实验箱各部份的功能及拨位开关的意义；
二、当电压表和电流表显示为“1＿”是说明超过量程，应改换为适合量程。
3、连线之前保证电源关闭。
4、实验进程中，请勿同时扒开两种或两种以上的光源开关，如此会造成实验所测试的数据不准确。
六、实验步骤
一、APD光电二极管暗电流测试
实验装置原理框图如图6-2所示
图6-2
（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将照度计电源线与面板上的照度计电源正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口用彩排数据线相连。
（2）将将三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。
（3）“光照度调剂”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，现在照度计的读数应为0。
（4）按图6-2所示的电路连接电路图，直流电源选择电源1,负载RL选择RL11=100K欧,电流表选择200uA档。
（5）打开电源开关，缓慢调剂直流电源1,直到微安表显示有读数为止,记录现在电压表U和电流表的读数即为APD光电二极管在U偏压下的暗电流。
（注:
在测试暗电流时,应先将光电器件置于黑暗环境中30分钟以上,不然测试进程中电压表需一段时刻后才可稳固）
（6）实验完毕，直流电源调至最小,关闭电源，拆除所有连线。
二、APD光电二极管光电流测试
（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将照度计电源线与面板上的照度计电源正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口用彩排数据线相连。
（2）将将三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。
（3）按图6-2所示的电路连接电路图，直流电源选择电源1,负载RL选择RL11=100K欧,电流表选择200uA档.
（4）打开电源，缓慢调剂光照度调剂电位器，直到光照为300lx（约为环境光照），缓慢调剂直流电源电位器,直到微安表显示有读数有较大转变为止,记录现在电压表U和电流表的读数即为APD光电二极管在U偏压下的光电流.
（5）实验完毕，将光照度调至最小，直流电源调至最小，关闭电源，拆除所有连线。
3、APD光电二极管伏安特性
（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将照度计电源线与面板上的照度计电源正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口用彩排数据线相连。
（2）将三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。
（3）按图6-2所示的电路连接电路图，直流电源选择电源1，负载RL选择RL11=100K欧。
（3）打开电源顺时针调剂照度调剂旋钮，使照度值为200Lx，维持光照度不变，调剂电源电压电位器，使反向偏压为0V、50V，100V、120V、130V、140V、150V、160V、170V、180V时的电流表读数，填入下表，关闭电源。
（注:
在测试进程中应缓慢调剂电位器，当反向偏置电压高于雪崩电压时，光生电流会迅速增加，电流表的读数会增加N个数量级，由于APD在高于雪崩电压的条件下工作时，PN结上的偏压很容易产生波动，阻碍到增益的稳固性，因此产生的光电流不稳固，属于正常现象，在记录结果时，取数量级数值即可。
）
（特殊说明：
在实验进程中，请勿将APD光电二极管长期工作在雪崩电压以上，以避免烧坏APD光电二极管，在工业上，APD光电二极管的工作电压略低于雪崩电压。
）
（6）依照上述实验结果，作出200lx光照度下的APD光电二极管伏安特性曲线。
偏压（V）
0
50
100
120
130
140
150
160
170
180
光电流I（μA）
（注：
由于APD雪崩光电二极管的个性不同，不同的APD光电二极管的雪崩电压有0～50V不同，测试的数据也有专门大不同，属正常现象）
4、APD光电二极管雪崩电压测试
（1）依如实验3伏安特性的测试方式,重复实验3的实验步骤,别离测出光照度在100Lx,300lx和500lx光照度时,反向偏压为0V、50V，100V、120V、130V、140V、150V、160V、170V、180V时的电流表读数，填入下表，关闭电源。
（2）依照上述实验结果，在同一坐标轴下作出100Lx,300lx和500lx光照度下的APD光电二极管伏安特性曲线,并进行分析,找出光电二极管的雪崩电压。
偏压（V）
0
50
100
120
130
140
150
160
170
180
光生电流1（μA）
光生电流2（μA）
光生电流3（μA）
五、APD光电二极管光照特性
实验装置原理框图如图6-2所示。
（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将照度计电源线与面板上的照度计电源正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口用彩排数据线相连。
（2）将三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。
（3）按图6-2所示的电路连接电路图，直流电源选择电源1，负载RL选择RL11=100K欧。
（4）将“光照度调剂”旋钮逆时针调剂至最小值位置。
打开电源，调剂直流电源1电位器，直到电压表的显示值略高于实验4所测试的雪崩电压即可，维持电压不变,顺时针调剂光照度，增大光照度值，别离记下不同照度下对应的光生电流值，填入下表。
假设电流表或照度计显示为“1＿”时说明超出量程，应改成适合的量程再测试。
光照度（Lx）
0
100
300
500
700
900
光生电流（μA）
（5）依照上面表中实验数据，在座标轴中作出APD光电二极管的光照特性曲线,并进行分析.
（6）实验完毕，将光照度调至最小，直流电源调至最小，关闭电源，拆除所有连线。
六、APD光电二极管时刻响应特性测试
（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将照度计电源线与面板上的照度计电源正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口用彩排数据线相连。
（2）将三掷开关BM2拨到“脉冲”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。
（3）按图6-3所示的电路连接电路图，直流电压源选用电源1，负载RL选择RL=1K欧.
（4）示波器的测试点应为A点，为了测试方便，可把示波器的测试点利用迭插头对引至信号测试区的TP1和TP2。
图6-3
（5）打开电源，白光对应的发光二极管亮，其余的发光二极管不亮。
用示波器的第一通道接TP和GND（即为输入的脉冲光信号），用示波器的第二通道接TP2和TP1。
（6）观看示波器两个通道信号，缓慢调剂直流电源1直到示波器上观看到信号清楚为止，并作出实验记录（刻画出两个通道波形）。
（7）缓慢调剂脉冲宽度调剂，增大输入脉冲的脉冲信号的宽度，观看示波器两个通道信号的转变，并作出实验记录（刻画出两个通道的波形）并进行分析。
（8）实验完毕，将光照度调至最小，直流电源调至最小，关闭电源，拆除所有连线。
7、APD光电二极管光谱特性测试
当不同波长的入射光照到光电二极管上，光电二极管就有不同的灵敏度。
本实验仪采用高亮度LED（白、红、橙、黄、绿、蓝、紫）作为光源，产生400～630nm离散光谱。
光谱响应度是光电探测器对单色光辐射的响应能力。
概念为在波长为λ的单位入射辐射功率下，光电探测器输出的信号电压或电流信号。
表达式如下：
或
式中，
为波长为
时的入射光功率；
为光电探测器在入射光功率
作用下的输出信号电压；
那么为输出用电流表示的输出信号电流。
本实验所采纳的方式是基准探测器法，在相同光功率的辐射下，那么有
式中，
为基准探测器显示的电压值，K为基准电压的放大倍数，
为基准探测器的响应度。
取在测试进程中,
取相同值,那么实验所测测试的响应度大小由
的大小确信.以下图为基准探测器的光谱响应曲线。
图6-4基准探测器的光谱响应曲线
（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将照度计电源线与面板上的照度计电源正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口用彩排数据线相连。
（2）将将三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1，S2，S4，S3，S5，S6，S7均拨下。
（3）按图6-2所示的电路连接电路图，直流电源选择电源1，负载RL选择RL11=100K欧。
（4）打开电源,缓慢调剂直流电源1,直到电压表的读数略高APD光电二极管的雪崩电压为止。
（5）S2拨上，缓慢调剂电位器直到照度计显示为E=10lx，将电压表测试所得的数据填入下表，再将S2拨下；
（6）重复操作步骤（5），别离测试出橙，黄，绿，蓝，紫在光照度E下电流表的读数，填入下表。
波长（nm）
红（630）
橙（605）
黄（585）
绿（520）
蓝（460）
紫（400）
基准响应度
光电流
响应度
（7）根据所测试取得的数据，做出APD光电二极管的光谱特性曲线。
（8）实验完毕，将光照度调至最小，直流电源调至最小，关闭电源，拆除所有连线。
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