最新APD光电二极管综合实验.docx

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最新APD光电二极管综合实验

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

（V1.0）

武汉光驰科技有限公司

WUHANGUANGCHITECHNOLOGYCO.,LTD

第一章APD光电二极管综合实验仪说明-3-

二、实验仪说明-3-

1、电子电路部分结构分布-3-

2、光通路组件-4-

第二章APD光电二极管特性测试-5-

1、APD光电二极管暗电流测试-7-

2、APD光电二极管光电流测试-8-

3、APD光电二极管伏安特性-8-

4、APD光电二极管雪崩电压测试-9-

5、APD光电二极管光照特性-9-

6、APD光电二极管时间响应特性测试-10-

7、APD光电二极管光谱特性测试-10-

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）的基片材料可采用硅和锗等材料。

其结构是在n型基片上制作p层，然后在配置上p+层。

一般上部的电极制作成环状，这是考虑到能获得稳定的“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。

这种元件可以用作0.8m范围的光纤通信的受光装置和光磁盘的受光期间还，能够有效地处理微弱光线的问题，当量子效率为68%以上时，可得到大于300MHz的高速响应。

工作电压小于180V时，则暗电流仅为0.3nA。

采用锗的APD所使用的波长范围接近于1m,由于它专用于光纤通信，所以其响应速度高达600MHz以上，偏压30V以下时，可获得高于55%的量子效率。

暗电流很大，为0.5uA左右。

GCAPD-B型APD雪崩光电二极管综合实验仪主要研究APD光电二极管的基本特性，如光电流、暗电流、光照特性、光谱特性、伏安特性及时间相应特性等，以及这种光敏器件与其它光电器件的应用差别。

二、实验仪说明

1、电子电路部分结构分布

电子电路部分功能说明

（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节，白色所指示的位置即为所对应的档位。

“+”“-”分别对应电压表的“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节，白色所指示的位置即为所对应的档位。

“+”“-”分别对应电压表的“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。

2、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

1、学习掌握APD光电二极管的工作原理

2、学习掌握APD光电二极管的基本特性

3、掌握APD光电二极管特性测试方法

4、了解APD光电二极管的基本应用

二、实验内容

1、APD光电二极管暗电流测试实验

2、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

5、APD光电二极管光电特性测试实验

6、APD光电二极管时间响应特性测试实验

7、APD光电二极管光谱特性测试实验

三、实验仪器

1、光电探测综合实验仪1个

2、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

5、2#迭插头对（红色，50cm）10根

6、2#迭插头对（黑色，50cm）10根

7、三相电源线1根

8、实验指导书1本

9、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，它可以用来检测微弱光信号并获得较大的输出光电流。

雪崩光电二极管能够获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，光生载流子经过时就会被电场加速，当电场强度足够高（约3x105V／cm）时，光生载流子获得很大的动能，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同样又被加速，重复前一过程，这样多次碰撞电离的结果使载流子迅速增加，电流也迅速增大，这个物理过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区都进行了重掺杂，分别以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。

从图中可以看到，电场在I区分布较弱，而在N+-P区分布较强，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），可以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，可以充分吸收光子，提高光电转换效率。

我们把I区吸收光子产生的电子-空穴对称为初级电子-空穴对。

在电场的作用下，初级光生电子从I区向雪崩区漂移，并在雪崩区产生雪崩倍增；而所有的初级空穴则直接被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初级光生电子-空穴对，此外它还具有分离初级电子和空穴的作用，初级电子在N+-P区通过碰撞电离形成更多的电子-空穴对，从而实现对初级光电流的放大作用。

图6-1APD的结构及电场分布

碰撞电离产生的雪崩倍增过程本质上是统计性的，即为一个复杂的随机过程。

每一个初级光生电子-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光电二极管相比，APD的特性较为复杂。

APD的雪崩倍增因子M定义为：

M=IP/IP0

式中：

IP是APD的输出平均电流；IP0是平均初级光生电流。

从定义可见，倍增因子是APD的电流增益系数。

由于雪崩倍增过程是一个随机过程，因而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的定义应理解为统计平均倍增因子。

M随反偏压的增大而增大，随W的增加按指数增长。

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中的主要噪声。

倍增噪声的产生主要与两个过程有关，即光子被吸收产生初级电子-空穴对的随机性以及在增益区产生二次电子-空穴对的随机性。

这两个过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，所以APD的响度比PIN的响应度大大提高，有

R0=（IP/P）=（ηq／hf）

量子效率只与初级光生载流子数目有关，不涉及倍增问题，故量子效率值总是小于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原因与PIN类似，主要是器件上的偏压不能保持恒定。

由于偏压降低，使得雪崩区变窄，倍增因子随之下降，这种影响比PIN的情况更明显。

它使得数字信号脉冲幅度产生压缩，或使模拟信号产生波形畸变，应设法避免。

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，此时称APD被击穿，电压VB称作击穿电压。

如果反偏压进一步提高，则雪崩击穿电流使器件对光生载流子变的越来越不敏感。

因此APD的偏置电压接近击穿电压，一般在数十伏到数百伏。

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的暗电流有初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；此外还有漏电流，漏电流没有经过倍增。

APD的响应速度主要取决于载流子完成倍增过程所需要的时间，载流子越过耗尽层所需的渡越时间以及二极管结电容和负载电阻的RC时间常数等因素。

而渡越时间的影响相对比较大，其余因素可通过改进结构设计使影响减至很小。

五、实验准备

1、实验之前，请仔细阅读光电探测综合实验仪说明，弄清实验箱各部分的功能及拨位开关的意义；

2、当电压表和电流表显示为“1＿”是说明超过量程，应更换为合适量程。

3、连线之前保证电源关闭。

4、实验过程中，请勿同时拨开两种或两种以上的光源开关，这样会造成实验所测试的数据不准确。

六、实验步骤

1、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）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为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，缓慢调节直流电源1,直到微安表显示有读数为止,记录此时电压表U和电流表的读数I.I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,否则测试过程中电压表需一段时间后才可稳定）

（6）实验完毕，直流电源调至最小,关闭电源，拆除所有连线。

2、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，缓慢调节光照度调节电位器，直到光照为300lx（约为环境光照），缓慢调节直流电源电位器,直到微安表显示有读数有较大变化为止,记录此时电压表U和电流表的读数I.I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