整理APD光电二极管综合实验.docx

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整理APD光电二极管综合实验

三、安全预评价报告的基本内容

发现规划环境影响报告书质量存在重大问题的，审查时应当提出对环境影响报告书进行修改并重新审查的意见。

2.环境敏感区的界定

4.环境保护地方性法规和地方性规章

3.划分评价单元

1.规划环境影响评价的报审

三、环境影响的经济损益分析

报告内容有：

建设项目基本情况、建设项目所在地自然环境社会环境简况、环境质量状况、主要环境保护目标、评价适用标准、工程内容及规模、与本项目有关的原有污染情况及主要环境问题、建设项目工程分析、项目主要污染物产生及预计排放情况、环境影响分析、建设项目拟采取的防治措施及预期治理效果、结论与建议等。

发现规划环境影响报告书质量存在重大问题的，审查时应当提出对环境影响报告书进行修改并重新审查的意见。

规划编制单位应当在报送审查的环境影响报告书中附具对公众意见采纳与不采纳情况及其理由的说明。

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

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）打开电源顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为200Lx，保持光照度不变，调节电源电压电位器，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:

在测试过程中应缓慢调节电位器，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，影响到增益的稳定性，因此产生的光电流不稳定，属于正常现象，在记录结果时，取数量级数值即可。

）

（特殊说明：

在实验过程中，请勿将APD光电二极管长期工作在雪崩电压以上，以免烧坏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）根据上述实验结果，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差异，不同的APD光电二极管的雪崩电压有0～50V差异，测试的数据也有很大差异，属正常现象）

4、APD光电二极管雪崩电压测试

（1）根据实验3伏安特性的测试方法,重复实验3的实验步骤,分别测出光照度在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）根据上述实验结果，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）

5、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“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。

打开电源，调节直流电源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，保持电压不变,顺时针调节光照度，增大光照度值，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）根据上面表中实验数据，在坐标轴中作出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。

6、APD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使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）观察示波器两个通道信号，缓慢调节直流电源1直到示波器上观察到信号清晰为止，并作出实验记录（描绘出两个通道波形）。

（7）缓慢调节脉冲宽度调节，增大输入脉冲的脉冲信号的宽度，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，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。

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

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；

则为输出用电流表示的输出信号电流。

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。

取在测试过程中,

取相同值,则实验所测测试的响应度大小由

的大小确定.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,缓慢调节直流电源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，缓慢调节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），分别测试出橙，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

0.65

0.61

0.56

0.42

0.25

0.06

光电流

响应度

（7）根据所测试得到的数据，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。