光电二极管综合实验

1、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WUHAN GUANGCHI TECHNOLOGY CO.,LTD目 录第一章 APD光电二极管综合实验仪说明- 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

2、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

3、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

4、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：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与直流电源0200V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

5、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

6、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APDAvalanche 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3x105Vcm)时，光生载流子获得很大的动能，

7、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+-

8、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2x104Vcm)，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

9、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

10、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<M>，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=<M>(IP/P)=<M>(qhf)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

11、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

12、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

13、；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

14、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，

15、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

16、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

17、，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AP

18、D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差异，不同的APD光电二极管的雪崩电压有050V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

19、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）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

20、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）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、APD光电二极管时间响应

21、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

22、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400630nm离散光谱。光谱响应度是光电探测器对单色光