1、APD光電二極管特性測試實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)掌握APD光電二極管的工作原理2、學(xué)習(xí)掌握APD光電二極管的基本特性3、掌握APD光電二極管特性測試方法4、了解APD光電二極管的基本應(yīng)用二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、APD光電二極管暗電流測試實(shí)驗(yàn)2、APD光電二極管光電流測試實(shí)驗(yàn)3、APD光電二極管伏安特性測試實(shí)驗(yàn)4、APD光電二極管雪崩電壓測試實(shí)驗(yàn)5、APD光電二極管光電特性測試實(shí)驗(yàn)6、APD光電二極管時(shí)間響應(yīng)特性測試實(shí)驗(yàn)7、APD光電二極管光譜特性測試實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)儀器1、光電探測綜合實(shí)驗(yàn)儀 1個(gè)2、光通路組件 1套3、光照度計(jì) 1臺(tái)4、光敏電阻及封裝組件 1套5、2#迭插頭對(duì)（紅色，50cm） 10根6

2、、2#迭插頭對(duì)（黑色，50cm） 10根7、三相電源線 1根8、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 1本9、示波器 1臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)原理雪崩光電二極管APDAvalanche Photodiode是具有內(nèi)部增益的光檢測器，它可以用來檢測微弱光信號(hào)并獲得較大的輸出光電流。雪崩光電二極管能夠獲得內(nèi)部增益是基于碰撞電離效應(yīng)。當(dāng)PN結(jié)上加高的反偏壓時(shí)，耗盡層的電場很強(qiáng)，光生載流子經(jīng)過時(shí)就會(huì)被電場加速，當(dāng)電場強(qiáng)度足夠高(約3x105Vcm)時(shí)，光生載流子獲得很大的動(dòng)能，它們?cè)诟咚龠\(yùn)動(dòng)中與半導(dǎo)體晶格碰撞，使晶體中的原子電離，從而激發(fā)出新的電子一空穴對(duì)，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。碰撞電離產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)在強(qiáng)電場作用下同樣又被加速，重復(fù)前

3、一過程，這樣多次碰撞電離的結(jié)果使載流子迅速增加，電流也迅速增大，這個(gè)物理過程稱為雪崩倍增效應(yīng)。圖6-1為APD的一種結(jié)構(gòu)。外側(cè)與電極接觸的P區(qū)和N區(qū)都進(jìn)行了重?fù)诫s，分別以P+和N+表示；在I區(qū)和N+區(qū)中間是寬度較窄的另一層P區(qū)。APD工作在大的反偏壓下，當(dāng)反偏壓加大到某一值后，耗盡層從N+-P結(jié)區(qū)一直擴(kuò)展(或稱拉通)到P+區(qū)，包括了中間的P層區(qū)和I區(qū)。圖4的結(jié)構(gòu)為拉通型APD的結(jié)構(gòu)。從圖中可以看到，電場在I區(qū)分布較弱，而在N+-P區(qū)分布較強(qiáng)，碰撞電離區(qū)即雪崩區(qū)就在N+-P區(qū)。盡管I區(qū)的電場比N+-P區(qū)低得多，但也足夠高(可達(dá)2x104Vcm)，可以保證載流子達(dá)到飽和漂移速度。當(dāng)入射光照射時(shí)，由

4、于雪崩區(qū)較窄，不能充分吸收光子，相當(dāng)多的光子進(jìn)入了I區(qū)。I區(qū)很寬，可以充分吸收光子，提高光電轉(zhuǎn)換效率。我們把I區(qū)吸收光子產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)稱為初級(jí)電子-空穴對(duì)。在電場的作用下，初級(jí)光生電子從I區(qū)向雪崩區(qū)漂移，并在雪崩區(qū)產(chǎn)生雪崩倍增；而所有的初級(jí)空穴則直接被P+層吸收。在雪崩區(qū)通過碰撞電離產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)稱為二次電子-空穴對(duì)。可見，I區(qū)仍然作為吸收光信號(hào)的區(qū)域并產(chǎn)生初級(jí)光生電子-空穴對(duì)，此外它還具有分離初級(jí)電子和空穴的作用，初級(jí)電子在N+-P區(qū)通過碰撞電離形成更多的電子-空穴對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)初級(jí)光電流的放大作用。圖6-1 APD的結(jié)構(gòu)及電場分布碰撞電離產(chǎn)生的雪崩倍增過程本質(zhì)上是統(tǒng)計(jì)性的，即為一個(gè)

5、復(fù)雜的隨機(jī)過程。每一個(gè)初級(jí)光生電子-空穴對(duì)在什么位置產(chǎn)生，在什么位置發(fā)生碰撞電離，總共碰撞出多少二次電子一空穴對(duì)，這些都是隨機(jī)的。因此與PIN光電二極管相比，APD的特性較為復(fù)雜。APD的雪崩倍增因子M定義為M=IP/IP0式中：IP 是APD的輸出平均電流；IP0是平均初級(jí)光生電流。從定義可見，倍增因子是APD的電流增益系數(shù)。由于雪崩倍增過程是一個(gè)隨機(jī)過程，因而倍增因子是在一個(gè)平均之上隨機(jī)起伏的量，雪崩倍增因子M的定義應(yīng)理解為統(tǒng)計(jì)平均倍增因子。M隨反偏壓的增大而增大，隨W的增加按指數(shù)增長。APD的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲、熱噪聲和附加的倍增噪聲。倍增噪聲是APD中的主要噪聲。

6、倍增噪聲的產(chǎn)生主要與兩個(gè)過程有關(guān)，即光子被吸收產(chǎn)生初級(jí)電子-空穴對(duì)的隨機(jī)性和在增益區(qū)產(chǎn)生二次電子-空穴對(duì)的隨機(jī)性。這兩個(gè)過程都是不能準(zhǔn)確測定的，因此APD倍增因子只能是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均的概念，表示為<M>，它是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)函數(shù)。由于APD具有電流增益，所以APD的響度比PIN的響應(yīng)度大大提高，有R0=<M>(IP/P)=<M>(qhf)量子效率只與初級(jí)光生載流子數(shù)目有關(guān)，不涉及倍增問題，故量子效率值總是小于1。APD的線性工作范圍沒有PIN寬，它適宜于檢測微弱光信號(hào)。當(dāng)光功率達(dá)到幾u(yù)w以上時(shí)，輸出電流和入射光功率之間的線性關(guān)系變壞，能夠達(dá)到的最大倍增增益也降低

7、了，即產(chǎn)生了飽和現(xiàn)象。 、APD的這種非線性轉(zhuǎn)換的原因與PIN類似，主要是器件上的偏壓不能保持恒定。由于偏壓降低，使得雪崩區(qū)變窄，倍增因子隨之下降，這種影響比PIN的情況更明顯。它使得數(shù)字信號(hào)脈沖幅度產(chǎn)生壓縮，或使模擬信號(hào)產(chǎn)生波形畸變，因而應(yīng)設(shè)法避免。在低偏壓下APD沒有倍增效應(yīng)。當(dāng)偏壓升高時(shí)，產(chǎn)生倍增效應(yīng)，輸出信號(hào)電流增大。當(dāng)反偏壓接近某一電壓VB時(shí)，電流倍增最大，此時(shí)稱APD被擊穿，電壓VB稱作擊穿電壓。如果反偏壓進(jìn)一步提高，則雪崩擊穿電流使器件對(duì)光生載流子變的越來越不敏感。因此APD的偏置電壓接近擊穿電壓，一般在數(shù)十伏到數(shù)百伏。須注意的是擊穿電壓并非是APD的破壞電壓，撤去該電壓后APD

8、仍能正常工作。APD的暗電流有初級(jí)暗電流和倍增后的暗電流之分，它隨倍增因子的增加而增加；此外還有漏電流，漏電流沒有經(jīng)過倍增。APD的響應(yīng)速度主要取決于載流子完成倍增過程所需要的時(shí)間，載流子越過耗盡層所需的渡越時(shí)間以及二極管結(jié)電容和負(fù)載電阻的RC時(shí)間常數(shù)等因素。而渡越時(shí)間的影響相對(duì)比較大，其余因素可通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使影響減至很小。五、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備1、實(shí)驗(yàn)之前，請(qǐng)仔細(xì)閱讀光電探測綜合實(shí)驗(yàn)儀說明，弄清實(shí)驗(yàn)箱各部分的功能及撥位開關(guān)的意義；2、當(dāng)電壓表和電流表顯示為“1”是說明超過量程，應(yīng)更換為合適量程；3、連線之前保證電源關(guān)閉。4、實(shí)驗(yàn)過程中，請(qǐng)勿同時(shí)撥開兩種或兩種以上的光源開關(guān)，這樣會(huì)造成實(shí)驗(yàn)所測試的數(shù)

9、據(jù)不準(zhǔn)確。六、實(shí)驗(yàn)步驟1、APD光電二極管暗電流測試實(shí)驗(yàn)裝置原理框圖如圖6-2所示 圖6-2（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光源驅(qū)動(dòng)單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)特性”，將撥位開關(guān)S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（3）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計(jì)，直流電源調(diào)至最小，打開照度計(jì)，此時(shí)照度計(jì)的讀數(shù)應(yīng)為0。（4）按圖6-2所示的電路連接電路圖，直流電源選擇電源1,負(fù)載RL選擇RL6=1K歐,電流表選擇200uA檔.（5）打開電源開關(guān)，緩

10、慢調(diào)節(jié)直流電源電位器,直到微安表顯示有讀數(shù)為止,記錄此時(shí)電壓表U和電流表的讀數(shù)I.I即為APD光電二極管在U偏壓下的暗電流.(注:在測試暗電流時(shí),應(yīng)先將光電器件置于黑暗環(huán)境中30分鐘以上,否則測試過程中電壓表需一段時(shí)間后才可穩(wěn)定)（6）實(shí)驗(yàn)完畢，直流電源調(diào)至最小,關(guān)閉電源，拆除所有連線。2、APD光電二極管光電流測試（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光源驅(qū)動(dòng)單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)特性”，將撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（

11、3）按圖6-2所示的電路連接電路圖，直流電源選擇電源1,負(fù)載RL選擇RL6=1K歐,電流表選擇200uA檔.（4）打開電源，緩慢調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)電位器，直到光照為300lx（約為環(huán)境光照），緩慢調(diào)節(jié)直流電源電位器,直到微安表顯示有讀數(shù)有較大變化為止,記錄此時(shí)電壓表U和電流表的讀數(shù)I.I即為APD光電二極管在U偏壓下的光電流.（5）實(shí)驗(yàn)完畢，將光照度調(diào)至最小，直流電源調(diào)至最小，關(guān)閉電源，拆除所有連線。3、APD光電二極管伏安特性（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光

12、源驅(qū)動(dòng)單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（3）按圖6-2所示的電路連接電路圖，直流電源選擇電源1，負(fù)載RL選擇RL6=1K歐。（3）打開電源順時(shí)針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度值為200Lx，保持光照度不變，調(diào)節(jié)電源電壓電位器，使反向偏壓為0V、50V，100V、120V、130V、140V、150V、160V、170V、180V時(shí)的電流表讀數(shù)，填入下表，關(guān)閉電源。(注:在測試過程中應(yīng)緩慢調(diào)節(jié)電位器，當(dāng)反向偏置電壓高于雪崩電壓時(shí)，光生電流會(huì)迅速增加，電流表的讀數(shù)會(huì)增加N個(gè)數(shù)量級(jí)，由于APD在高于雪崩電壓的條件下工作時(shí)，PN結(jié)上的偏壓很容

13、易產(chǎn)生波動(dòng)，影響到增益的穩(wěn)定性，因此產(chǎn)生的光電流不穩(wěn)定，屬于正常現(xiàn)象，在記錄結(jié)果時(shí)，取數(shù)量級(jí)數(shù)值即可。)（特殊說明：在實(shí)驗(yàn)過程中，請(qǐng)勿將APD光電二極管長期工作在雪崩電壓以上，以免燒壞APD光電二極管，在工業(yè)上，APD光電二極管的工作電壓略低于雪崩電壓。）偏壓（V）050100120130140150160170180光電流I（A） (6)根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作出200lx光照度下的APD光電二極管伏安特性曲線.（注：由于APD雪崩光電二極管的個(gè)性差異， 不同的APD光電二極管的雪崩電壓有50V差異，測試的數(shù)據(jù)也有很大差異，屬正常現(xiàn)象）4、APD光電二極管雪崩電壓測試偏壓（V）050100120

14、130140150160170180光生電流1（A）光生電流2（A）光生電流3（A）（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)3伏安特性的測試方法,重復(fù)實(shí)驗(yàn)3的實(shí)驗(yàn)步驟, 分別測出光照度在1lx,10lx,50lx光照度時(shí),反向偏壓為0V、50V，100V、120V、130V、140V、150V、160V、170V、180V時(shí)的電流表讀數(shù)，填入下表，關(guān)閉電源。(2)根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在同一坐標(biāo)軸下作出100Lx,300lx和500lx光照度下的APD光電二極管伏安特性曲線,并進(jìn)行分析,找出光電二極管的雪崩電壓.5、APD光電二極管光照特性實(shí)驗(yàn)裝置原理框圖如圖6-2所示。（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件

15、照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光源驅(qū)動(dòng)單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（3）按圖6-2所示的電路連接電路圖，直流電源選擇電源1，負(fù)載RL選擇RL6=1K歐。（4）將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)至最小值位置。打開電源，調(diào)節(jié)直流電源電位器，直到電壓表的顯示值略高于實(shí)驗(yàn)4所測試的雪崩電壓即可，保持電壓不變,順時(shí)針調(diào)節(jié)該旋鈕，增大光照度值，分別記下不同照度下對(duì)應(yīng)的光生電流值，填入下表。若電流表或照度計(jì)顯示為“1”時(shí)說明超出量程，應(yīng)改為合適的量程再測試

16、。光照度（Lx）0100300500700900光生電流（A） （5）根據(jù)上面表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)軸中作出APD光電二極管的光照特性曲線,并進(jìn)行分析.（6）實(shí)驗(yàn)完畢，將光照度調(diào)至最小，直流電源調(diào)至最小，關(guān)閉電源，拆除所有連線。6、APD光電二極管時(shí)間響應(yīng)特性測試（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光源驅(qū)動(dòng)單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“脈沖”，將撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（3）按圖6-3所示的電路連接電路圖，直流電壓源選用電源1，負(fù)

17、載RL選擇RL=1K歐.（4）示波器的測試點(diǎn)應(yīng)為A點(diǎn)，為了測試方便，可把示波器的測試點(diǎn)使用迭插頭對(duì)引至信號(hào)測試區(qū)的TP1和TP2，TP1與直流電源的地相連。圖6-3（5）打開電源，白光對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管亮，其余的發(fā)光二極管不亮。用示波器的第一通道與接TP和GND（即為輸入的脈沖光信號(hào)），用示波器的第二通道接TP2。（6）觀察示波器兩個(gè)通道信號(hào)，緩慢調(diào)節(jié)直流電源電位器直到示波器上觀察到信號(hào)清晰為止，并作出實(shí)驗(yàn)記錄（描繪出兩個(gè)通道波形）。（7）緩慢調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)節(jié)，增大輸入脈沖的脈沖信號(hào)的寬度，觀察示波器兩個(gè)通道信號(hào)的變化，并作出實(shí)驗(yàn)記錄（描繪出兩個(gè)通道的波形）并進(jìn)行分析。（8）實(shí)驗(yàn)完畢，將光照度調(diào)

18、至最小，直流電源調(diào)至最小，關(guān)閉電源，拆除所有連線。6、APD光電二極管光譜特性測試當(dāng)不同波長的入射光照到光電二極管上，光電二極管就有不同的靈敏度。本實(shí)驗(yàn)儀采用高亮度LED（白、紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫）作為光源，產(chǎn)生400630nm離散光譜。光譜響應(yīng)度是光電探測器對(duì)單色入射輻射的響應(yīng)能力。定義為在波長的單位入射功率的照射下，光電探測器輸出的信號(hào)電壓或電流信號(hào)。即為或式中，為波長為時(shí)的入射光功率；為光電探測器在入射光功率作用下的輸出信號(hào)電壓；則為輸出用電流表示的輸出信號(hào)電流。本實(shí)驗(yàn)所采用的方法是基準(zhǔn)探測器法，在相同光功率的輻射下，則有 式中，為基準(zhǔn)探測器顯示的電壓值，K為基準(zhǔn)電壓的放大倍數(shù)，為基準(zhǔn)探測器的響應(yīng)度。取在測試過程中,取相同值,則實(shí)驗(yàn)所測測試的響應(yīng)度大小由的大小確定.下圖為基準(zhǔn)探測器的光譜響應(yīng)曲線。圖6-4 基準(zhǔn)探測器的光譜響應(yīng)曲線（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光源驅(qū)動(dòng)單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)特性”，將撥位開關(guān)S1，S2，S4，S3，S5，S6，S7均撥下。（3）按圖6-2所示的電路連接電路圖，直流電源選擇電源1，負(fù)載RL選擇RL6=1K