APD光电二极管综合实验.doc

APDAPD 光电二极管实验仪实验指导书光电二极管实验仪实验指导书 1 APD 光电二极管综合实验仪 GCAPD B 实实 验验 指指 导导 书书 V1 0 V1 0 武汉光驰科技有限公司武汉光驰科技有限公司 WUHAN GUANGCHI TECHNOLOGY CO LTD APDAPD 光电二极管实验仪实验指导书光电二极管实验仪实验指导书 2 目目 录录 第一章第一章 APDAPD 光电二极管综合实验仪说明光电二极管综合实验仪说明 3 3 1 1 电子电路部分结构分布 电子电路部分结构分布 3 3 2 2 光通路组件 光通路组件 4 4 第二章第二章 APDAPD 光电二极管特性测试光电二极管特性测试 5 5 1 1 APDAPD 光电二极管暗电流测试光电二极管暗电流测试 7 7 2 2 APDAPD 光电二极管光电流测试光电二极管光电流测试 8 8 3 3 APDAPD 光电二极管伏安特性光电二极管伏安特性 8 8 4 4 APDAPD 光电二极管雪崩电压测试光电二极管雪崩电压测试 9 9 5 5 APDAPD 光电二极管光照特性光电二极管光照特性 9 9 6 6 APDAPD 光电二极管时间响应特性测试光电二极管时间响应特性测试 1010 7 7 APDAPD 光电二极管光谱特性测试光电二极管光谱特性测试 1010 APDPD 光电二极管实验仪实验指导书光电二极管实验仪实验指导书 3 第一章第一章 APDAPD 光电二极管综合实验仪说明光电二极管综合实验仪说明 一 产品介绍一 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 实验仪说明二 实验仪说明 1 1 电子电路部分结构分布 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 直流电源 0 200V 可调 0 200V 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 与直流电源 0 200V 不共地 APDPD 光电二极管实验仪实验指导书光电二极管实验仪实验指导书 4 2 2 光通路组件 光通路组件 面光源 分光镜 余弦校正器 光电探测器 照度计探头 光电流 输出端 光调制控制输入端 照度计 存放区 连接线缆 存放区 滤色片 此处 可拆卸 光器件输 出端 待测光器件 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 APDPD 光电二极管实验仪实验指导书光电二极管实验仪实验指导书 5 第二章第二章 APDAPD 光电二极管特性测试光电二极管特性测试 一 实验目的一 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 实验原理四 实验原理 雪崩光电二极管 APD Avalanche Photodiode 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 APDPD 光电二极管实验仪实验指导书光电二极管实验仪实验指导书 6 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 1 APD 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 q 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 APDPD 光电二极管实验仪实验指导书光电二极管实验仪实验指导书 7 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 实验步骤六 实验步骤 1 1 APDAPD 光电二极管暗电流测试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 APDPD 光电二极管实验仪实验指导书光电二极管实验仪实验指导书 8 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 注注 在测试暗电流时在测试暗电流时 应先将光电器件置于黑暗环境中应先将光电器件置于黑暗环境中 3030 分钟以上分钟以上 否则测试过程否则测试过程 中电压表需一段时间后才可稳定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 2 APDAPD 光电二极管光电流测试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 3 APDAPD 光电二极管伏安特性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会迅速增加 电流表的读数会增加N N个数量级 由于个数量级 由于APDAPD在高于雪崩电压的条件下工作时 在高于雪崩电压的条件下工作时 PNPN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 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 特殊说明 在实验过程中 请勿将APDAPD光电二极管长期工作在雪崩电压以上 以光电二极管长期工作在雪崩电压以上 以 免烧坏免烧坏APDAPD光电二极管 在工业上 光电二极管 在工业上 APDAPD光电二极管的工作电压略低于雪崩电压 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 APDPD 光电二极管实验仪实验指导书光电二极管实验仪实验指导书 9 注 由于 注 由于 APDAPD 雪崩光电二极管的个性差异 不同的雪崩光电二极管的个性差异 不同的 APDAPD 光电二极管的雪崩电压有光电二极管的雪崩电压有 0 0 50V50V 差异 测试的数据也有很大差异 属正常现象 差异 测试的数据也有很大差异 属正常现象 4 4 APDAPD 光电二极管雪崩电压测试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 5 5 APDAPD 光电二极管光照特性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 偏压 V 050100120130140150160170180 光电流 I A 偏压 V 050100120130140150160170180 光生电流1 A 光生电流2 A 光生电流3 A APDPD 光电二极管实验仪实验指导书光电二极管实验仪实验指导书 10 光照度 Lx 0100300500700900 光生电流 A 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 6 APDAPD 光电二极管时间响应特性测试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 A 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 7 APDAPD 光电二极管光谱特性测试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 的单位入射 AP