APD光电二极管综合实验

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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一 5 一1、APD 光电二极管暗电流测试 -7-2、APD 光电二极管光电流测试 一8一3、APD 光电二极管伏安特性 一8一4、APD 光电二极管雪崩电压测试 一9一5、APD 光电二极管光照特性 一9一6、 APD 光电二极管时间响应特性测试 一 10 一7、 APD 光电二极管光谱特性测试 一

2、10 一第一章 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300M

3、Hz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

4、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：0200V可调，“0200V ”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0200V不共地。2、光通路组件输出端图 1 光电二三极管光

5、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：红色一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

6、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1台9、示波器四、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

7、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

8、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

9、-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。碰IS电离所需的最小场强图 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=I/IP P0式中：Ip是APD的输出平均电流；Ipo是平均

10、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M，它是一个复杂的随机函数。由于APD具有电流增益，所

11、以APD的响度比PIN的响应度大大提高，有R=M（I /P）=M（nq/hf）0P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

12、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V时，电流倍增最大，此时称APD被击穿，电压V称作击BB 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

13、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RlO微安表图 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

14、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SI, 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RLll=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

15、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、