即在I层中形成很宽的耗尽层。
由于I层有较高的电阻,因此电压基本上降落在该区,使得耗尽层宽度W可以得到加宽,并且可以通过控制I层的厚度来改变。
对于高掺杂的N型薄层,产生于其中的光生载流子将很快被复合掉,因此这一层仅是为了减少接触电阻而加的附加层。
要使入射光功率有效地转换成光电流,首先必须使入射光能在耗尽层内被吸收,这要求耗尽层宽度W足够宽。
但是随着W的增大,在耗尽层的载流子渡越时间τcr也会增大,τcr与W的关系为
τcr=W/v
式中:
v为载流子的平均漂移速度。
由于τcr增大,PIN的响应速度将会下降。
因此耗尽层宽度W需在响应速度和量子效率之间进行优化。
如采用类似于半导体激光器中的双异质结构,则PIN的性能可以大为改善。
在这种设计中,P区、N区和I区的带隙能量的选择,使得光吸收只发生在I区,完全消除了扩散电流的影响。
在光纤通信系统的应用中,常采用InGaAs材料制成I区和InP材料制成P区及N区的PIN光电二极管,图5-2为它的结构。
InP材料的带隙为1.35eV,大于InGaAs的带隙,对于波长在1.3~1.6um范围的光是透明的,而InGaAs的I区对1.3~1.6um的光表现为较强的吸收,几微米的宽度就可以获得较高响应度。
在器件的受光面一般要镀增透膜以减弱光在端面上的反射。
InGaAs的光探测器一般用于1.3um和1.55um的光纤通信系统中。
图5-2InGaAsPIN光电二极管的结构
从光电二极管的工作原理可以知道,只有当光子能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg才能产生光电效应,即
Hf>Eg
因此对于不同的半导体材料,均存在着相应的下限频率fc或上限波长λc,λc亦称为光电二极管的截止波长。
只有入射光的波长小于λc时,光电二极管才能产生光电效应。
Si-PIN的截止波长为1.06um,故可用于0.85um的短波长光检测;Ge-PIN和InGaAs-PIN的截止波长为1.7um,所以它们可用于1.3um、1.55um的长波长光检测。
当入射光波长远远小于截止波长时,光电转换效率会大大下降。
因此,PIN光电二极管是对一定波长范围内的入射光进行光电转换,这一波长范围就是PIN光电二极管的波长响应范围。
响应度和量子效率表征了二极管的光电转换效率。
响应度R定义为
R=IP/Pin
其中:
Pin为入射到光电二极管上的光功率;IP为在该入射功率下光电二极管产生的光电流。
R的单位为A/W。
量子效率η定义为:
η=光电转换产生的有效电子-空穴对数/入射光子数
=(IP/q)/(Pin/hf)
=R(hf/q)
响应速度是光电二极管的一个重要参数。
响应速度通常用响应时间来表示。
响应时间为光电二极管对矩形光脉冲的响应——电脉冲的上升或下降时间。
响应速度主要受光生载流子的扩散时间、光生载流子通过耗尽层的渡越时间及其结电容的影响。
光电二极管的线性饱和指的是它有一定的功率检测范围,当入射功率太强时,光电流和光功率将不成正比,从而产生非线性失真。
PIN光电二极管有非常宽的线性工作区,当入射光功率低于mW量级时,器件不会发生饱和。
无光照时,PIN作为一种PN结器件,在反向偏压下也有反向电流流过,这一电流称为PIN光电二极管的暗电流。
它主要由PN结内热效应产生的电子一空穴对形成。
当偏置电压增大时,暗电流增大。
当反向偏压增大到一定值时,暗电流激增,发生了反向击穿(即为非破坏性的雪崩击穿,如果此时不能尽快散热,就会变为破坏性的齐纳击穿)。
发生反向击穿的电压值称为反向击穿电压。
Si-PIN的典型击穿电压值为100多伏。
PIN工作时的反向偏置都远离击穿电压,一般为10~30V。
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、PIN光电二极管暗电流测试
实验装置原理框图如图5-3所示,但是在实际操作过程中,光电二极管和光电三极管的暗电流非常小,只有nA数量级,因此实验中对电流表的要求较高。
本实验中,采用电路中串联大电阻的方法,图5-3中的RL选用RL21=20M,再利用欧姆定律计算出支路中的电流即为所测器件的暗电流。
图5-3
(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,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)选用直流电源2,将电压表直接与电源2两输入端相连,打开电源,调节直流电源2,使得电压输出为15V,关闭电源。
(注意:
在下面的实验操作中请不要动电源调节电位器,以保证直流电源输出电压不变)
(5)按图5-3所示的电路连接电路图,负载RL选择RL21=20M。
(6)打开电源,等电压表读数稳定后测得负载电阻RL上的压降V暗,则暗电流L暗=V暗/RL。
所得的电流即为偏置电压在15V时的暗电流。
(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)
(7)实验完毕,直流电源调至最小,关闭电源,拆除所有连线。
2、PIN光电二极管光电流测试
实验装置原理图如图5-4所示。
图5-4
(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5-4连接电路图,直流电源选择电源2,RL取RL6=1K欧。
(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2到电压表显示为15V,请出此时电流表的读数,即为PIN光电二极管在偏压15V,光照300lx时的光电流。
(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、PIN光电二极管光照特性
(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5-4所示的电路连接电路图,直流电源选择电源2,负载RL选择RL6=1K欧。
(4)将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。
打开电源,调节直流电源2电位器,直到显示值为15V左右,顺时针调节光照度电位器,增大光照度,分别记下不同照度下对应的光生电流值,填入下表。
若电流表或照度计显示为“1_”时说明超出量程,应改为合适的量程再测试。
光照度(Lx)
0
100
300
500
700
900
光生电流(μA)
(5)根据上表中实验数据,作出PIN光电二极管在15V偏压下的光照特性曲线,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。
4、PIN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。
(4)按图5-4所示的电路连接电路图,直流电源选择电源1,负载RL选择RL6=1K欧。
(5)打开电源,顺时针调节照度调节旋钮,使照度值为500Lx,保持光照度不变,调节电源电压1,使反向偏压为0V、2V,4V、6V、8V、10V、15V、20V时的电流表读数,填入下表,关闭电源。
(注意:
偏置电压不能长时间高于30V,以免使PIN光电二极管劣化)
偏压(V)
0
-2
-4
-6
-8
-10
-15
-20
光生电流1(μA)
光生电流2(μA)
(6)重复上述步骤,测量PIN光电二极管在800Lx照度下,不同偏压下的光生电流值。
(7)根据上面所测试的实验数据,在同一坐标轴作出光照在500lx和800lx时的伏安特性曲线,并进行分析比较。
(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。
5、PIN光电二极管时间响应特性测试
(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5-5所示的电路连接电路图,直流电源选择电源2,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使用迭插头对引至信号测试区的TP1和TP2。
图5-5
(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)观察示波器两个通道的信号,缓慢调节直流电源2,直到示波器上观察到信号清晰为止,并作出实验记录(描绘出两个通道的波形)。
(7)缓慢调节脉冲宽度,增大输入信号的脉冲宽度,观察示波器两个通道信号的变化,并作出实验记录(描绘出两个通道的波形)并进行分析。
(8)实验完毕,关闭电源,拆除导线。
6、PIN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。
定义为在波长为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λ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;
则为输出信号电流。
本实验所采用的方法是基准探测器法,在相同光功率的辐射下,则有
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。
在测试过程中,
取相同值,则实验所测的响应度大小由
确定.下图为基准探测器的光谱响应曲线。
图5-6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)将直流电源2输出直接与电压表相连,打开电源,调节电源2至电压表为10V,关闭电源。
(4)按如图5-7连接电路图,RL取RL=100K欧。
图5-7
(5)打开电源,缓慢调节光照度调节电位器到最大,将S2,S3,S4,S5,S6,S7依次拨上后拨下,分别记录照度计所测数据,并将其中最小值“E”作为参考。
(注意:
请不要同时将两个拨位开关拨上)
(6)S2拨上,缓慢调节电位器直到照度计显示为E,将电压表测试所得的数据填入下表,再将S2拨下。
(7)依次将S3、S4、S5、S6、S7拨上后拨下,分别测试出橙光,黄光,绿光,蓝光,紫光在光照度E下时电压表的读数,填入下表。
波长(nm)
红(630)
橙(605)
黄(585)
绿(520)
蓝(460)
紫(400)
基准响应度
0.65
0.61
0.56
0.42
0.25
0.06
电压(mV)
响应度
(8)根据所测试得到的数据,做出PIN光电二极管的光谱特性曲线。