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1、APD光电二极管特征测试实验一、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征3、掌握APD光电二极管特征测试方法4、认识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光电二极管伏安特征测试实验4、APD光电二极管雪崩电压测试实验5、APD光电二极管光电特征测试实验6、APD光电二极管时间响应特征测试实验7、APD光电二极管光谱特征测试实验三、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
2、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-Ava1.anchePhotodiode是拥有内部增益的光检测器，它能够用来检测轻微光信号并获取较大的输出光电流。雪崩光电二极管能够获取内部增益是鉴于碰撞电离效应。当PN结上加高的反偏压时，耗尽层的电场很强，光生截流子经过时就会被电场加快，当电场强度足够高（约3x105vcm）时，光生载流子获取很大的动能，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，进而激发出新的电子一空穴对，这类现象称为碰撞电离。碰撞电离产生的电子一空穴对在强电场作用下相同又被加快，重复前一过程，这样多次
3、碰撞电离的结果使截流子快速增添，电流也快速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。图6-1为APD的一种构造。外侧与电极接触的P区和N区都进行了重混杂，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结区向来扩展（或称拉通）到P区，包含了中间的P层区和I区。图4的构造为拉通型APD的构造。从图中能够看到，电场在I区散布较弱，而在NP区散布较强，碰撞电离区即雪崩区就在N+-P区。只管I区的电场比N-P区低得多，但也足够高（可达2x1（TV/cm）,能够保证我流子达到饱和漂移速度。当入射光照耀时，因为雪崩区较窄，不可以充
4、足汲取光子，相当多的光子进入了I区。I区很宽，能够充足汲取光子，提升光电变换效率。我们把I区汲取光子产生的电子-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；而全部的初级空穴则直接被P层汲取。在雪崩区经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区仍旧作为汲取光信号的地区并产生初级光生电子-空穴对，别的它还拥有分别初级电子和空穴的作用，初级电子在N,P区经过碰撞电离形成更多的电子空穴对，进而实现对初级光电流的放大作用。图6-1APD的构造及电场散布碰撞电离产生的雪崩倍增过程实质上是统计性的，即为一个复杂的随机过程。每一个初级光
5、生电子-空穴对在什么地点产生，在什么地点发生碰撞电离，总合碰撞出多少二次电子一空穴对，这些都是随机的。所以与PIN光电二极管对比，APD的特征较为复杂。APD的雪崩倍增因子M定义为M=IpIPo式中：Ip是APD的输出均匀电流：Ipo是均匀初级光生电流。从定义可见，倍增因子是APD的电流增益系数。因为雪崩倍增过程是一个随机过程，因此倍增因子是在一个均匀之上随机起伏的量，雪崩倍增因子M的定义应理解为统计均匀倍增因子。M随反偏压的增大而增大，随W的增添按指数增添。APD的噪声包含量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声、热噪声和附带的倍增噪声。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相关
6、，即光子被汲取产生初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。这两个过程都是不可以正确测定的，所以APD倍增因子只好是一个统计均匀的观点，表示为,它是一个复杂的随机函数。因为APD拥有电流增益，所以APD的响度比P1.N的响应度大大提升，有Ro=(1.pP)=(nq/hf)1o量子效率只与初级光生载流子数目相关，不波及倍增问题，故量子效率值老是小于APD的线性工作范围没有P1.N宽，它适合于检测轻微光信号。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的这类非线性变换的原由与PIN近似，主假如器件上
7、的偏压不可以保持恒定。因为偏压降低，使得雪崩区变窄，倍增因子随之降落，这类影响比P1.N的状况更显然。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，因此应想法防止。在低偏压下APD没有倍增效应。当偏压高升时，产生倍增效应，输出信号电流增大。当反偏压靠近某一电压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升，则雪崩击穿电流使器件对光生载流子变的愈来愈不敏感。所以APD的偏置电压靠近击穿电压，一般在数十伏到数百伏。须注意的是击穿电压并不是是APD的损坏电压，撤去该电压后APD还能正常工作。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
8、的增添而增添；别的还有漏电流，漏电流没有经过倍增。APD的响应速度主要取决于截流子达成倍增过程所需要的时间，载流子超出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时间常数等要素。而渡越时间的影响相对照较大，其他要素可经过改良构造设计使影响减至很小。五、实验准备1、实验以前，请认真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_”是说明超出度程，应改换为适合当程；3、连线以前保证电源封闭。4、实验过程中，请勿同时扒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正确。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
9、6-2所示图6-2（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（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使用彩排数据线相连。（2） “光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态特征”，将拨位开关S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7均拨下。（3） “光照度调理”调到最小，连结好光照度计，直流电源调至最小，翻开照度计，此时照度计的读数应为On（4）按图6-2所示的电路连结电路图，直流电源选择电源1,负载R1.选择R1.6=1K欧，电流表选择200UA档.（5）翻开电源开关，迟缓调理直流电源电位器，直到微安表显示有读数为止，记录此时电压表U和
10、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喑环境中30分钟以上，不然测试过程中电压表需一段时间后才可稳固）6）实验完成，直流电源调至最小，封闭电源，拆掉全部连线。2、APD光电二极管光电流测试（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（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使用彩排数据线相连。（2）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态特征”，将拨位开关S1.拨上，S2,S3,54, S5,S6,S7均拨下。1,负载R1.选择RL6=1K欧，电300lx（约为环境光照），缓,记录
11、此时电压表 U和电流（3）按图6-2所示的电路连结电路图，直流电源选择电源流表选择200UA档.（4）翻开电源，迟缓调理光照度调理电位器，直到光照为慢调理直流电源电位器，直到微安表显示有读数有较大变化为止表的读数即为APD光电二极管U偏压下的光电流在（5）实验完成，将光照度调至最小，直流电源调至最小，封闭电源，拆掉全部连线。3、APD光电二极管伏安特征（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（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使用彩排数据线相连。（2） “光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1.拨上，S2,S
12、3,S4,55, S6,S7均拨下。3）按图62所示的电路连结电路图，直流电源选择电源1,负载R1.选择R1.6=1K欧。（3）翻开电源顺时针调理照度调理旋钮，使照度值为2001.x,保持光照度不变，调理电源电压电位器，使反向偏压为0V、50V,IoOV、120V、130V.140Vs150V,160V,170V.180V时的电流表读数，填入下表，封闭电源。（注：在测试过程中应迟缓调理电位器，当反向偏置电压高于雪崩电压时，光生电流会快速增添，电流表的读数会增添N个数目级，因为APD在高于雪崩电压的条件下工作时，PN结上的偏压很简单产生颠簸，影响到增益的稳固性，所以产生的光电流不稳固，属于正常现
13、象，在记录结果时，取数目级数值即可。）（特别说明：在实验过程中，请勿将APD光电二极管长久工作在雪崩电压以上，免得烧坏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。）偏压（7、050100120130140150160170180光电流I(PA)（6）依据上述实验结果，作出20O1.X光照度下的APD光电二极管伏安特征曲线.（注：因为APD雪崩光电二极管的个性差别，不一样的APD光电二极管的雪崩电压有50V差别，测试的数据也有很大差别，属正常现象）4、APD光电二极管雪崩电压测试（1）依据实验3伏安特征的测试方法，重复实验3的实验步骤，分别测出光照度在11.x1.1O1
14、.x,501.x光照度时，反向偏压为0V.50V,IooV、120V、130V、140V,150V、160V、170V、偏压（V）0501C012C13014050160170180光生电流1（A）光生电流2（PA）光生电流3（PA）180V时的电流表读数，填入下表，封闭电源。（2）依据上述实验结果，在同一坐标轴下作出IoO1.X,30OIX和5001.x光照度下的APD光电二极管伏安特征曲线，并进行剖析，找出光电二极管的雪崩电压.5、APD光电二极管光照特征实验装置原理框图如图6-2所示。（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），
15、将光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。（2） “光源驱动单元”的三掷开关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所示的电路连结电路图，直流电源选择电源1,负载R1.选择R1.6=1K欧。 4）将“光照度调理”旋钮逆时针调理至最小值地点。翻开电源，调理直流电源电位器，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，顺时针调理该旋钮，增大光照度值，分别记下不一样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_”时说明高出量程，应改为适合的量程再测试。光照度（1.x）O1()0300500
16、-r00900光生电流（A）（5）依据上边表中实验数据，在座标轴中作出APD光电二极管的光照特征曲线，并进行剖析.（6）实验完成，将光照度调至最小，直流电源调至最小，封闭电源，拆掉全部连线。6、APD光电二极管时间响应特征测试（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（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使用彩排数据线相连。（2）“光源驱动单元”的三掷开关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所示的电路连结电路图，直流电压源采纳电源1,负载R1.选择R1.=IK欧.（4）
17、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,TP1与直流电源的地相连。（5）翻开电源，白光对应的发光二极管亮，其他的发光二极管不亮。用示波器的第一通道与接TP和GND（即为输入的脉冲光信号），用示波器的第二通道接TP2。(6)察看示波器两个通道信号，迟缓调理直流电源电位器直到示波器上察看到信号清晰为止，并作出实验记录(描述出两个通道波形)。(7)迟缓调理脉冲宽度调理，增大输入脉冲的脉冲信号的宽度，察看示波器两个通道信号的变化，并作出实验记录(描述出两个通道的波形)并进行剖析。8)实验完成，将光照度调至最小，直流电源调至最小，封闭电源，拆
18、掉全部连线。6、APD光电二极管光谱特征测试当不一样波长的入射光照到光电二极管上，光电二极管就有不一样的敏捷度。本实验仪采纳高亮度1.ED(白、红、橙、黄、绿、蓝、紫)作为光源，产生40063Onm失散光谱。光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应能力。定义为在波长的单位入射功率的照耀下，光电探测器输出的信号电压或电流信号。即为P()P()式中，P()为波长为时的入射光功率：V()为光电探测器在入射光功率P()作用下的输出信号电压；I()则为输出用电流表示的输出信号电流。本实验所采纳的方法是基准探测器法，在相同光功率的辐射下，则有()f()Uf式中，Uf为基准探测器显示的电压值，K为基准电压
19、的放大倍数，f()为基准探测器的响应度。取在测试过程中，Uf取相同值，则实验所测测试的响应度大小由()Uf()的大小确立.下列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，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），符光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。（2）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态特征”，将拨位开关S1,S2,S4,S3,S5,S6,S7均拨下。（3）按图6-2所示的电路连结电路图，直流电源选择电源1,负载R1.选择R1.6=1K欧。（4）翻开电源，迟缓调理电位器直流电源电位器，宜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，迟缓调理电位器直到照度计显示为E=IO1.X,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（7）,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)基准响应度光电流响应度（7）依据所测试获取的数据，做出APD光电二极管的光谱特征曲线。（8）实验完成，将光照度调至最小，直流电源调至最小，封闭电源，拆掉全部连线。
