APD光电二极管综合实验.docx

1、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WUHAN GUANGCHI TECHNOLOGY CO.,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

2、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

3、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。（）直流电源：0200V可调，“0200V”为直流电源的正极，另一端为负极。（）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

4、与直流电源0200V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、

5、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APDAvalanche Photodiode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

6、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3x105Vcm)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

7、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2x104Vcm)，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

8、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6-1 APD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

9、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

10、=(IP/P)=(qhf)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

11、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、

12、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

13、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

14、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

15、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2

16、00Lx，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

17、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）050100120130140150160170180光电流I（A）（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050V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)

18、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）050100120130140150160170180光生电流1（A）光生电流2（A）光生电流3（A）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，S

19、3，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）0100300500700900光生电流（A） （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

20、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（

21、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

22、LED（白、红、橙、黄、绿、蓝、紫）作为光源，产生400630nm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

23、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。