1、APD光電二極管綜合實驗儀GCAPD-B實驗指導(dǎo)書(V1.0)武漢光馳科技有限公司W(wǎng)UHAN GUANGCHI TECHNOLOGY CO.,LTD目 錄第一章 APD光電二極管綜合實驗儀說明- 3 -1、電子電路部分結(jié)構(gòu)分布- 3 -2、光通路組件- 4 -第二章 APD光電二極管特性測試- 5 -1、APD光電二極管暗電流測試- 7 -2、APD光電二極管光電流測試- 8 -3、APD光電二極管伏安特性- 8 -4、APD光電二極管雪崩電壓測試- 9 -5、APD光電二極管光照特性- 9 -6、APD光電二極管時間響應(yīng)特性測試- 10 -7、APD光電二極管光譜特性測試- 10 -第一章

2、APD光電二極管綜合實驗儀說明一、產(chǎn)品介紹雪崩光電二極管的特點是高速響應(yīng)性和放大功能。雪崩光電二極管(APD)的基片材料可采用硅和鍺等材料。其結(jié)構(gòu)是在n型基片上制作p層，然后在配置上p+層。一般上部的電極制作成環(huán)狀，這是考慮到能獲得穩(wěn)定的“雪崩”效應(yīng)。外來的光線通過薄的p+層，然后被p層吸收，從而產(chǎn)生了電子和空穴。由于在p層上存在著105V/cm的電場，因此位于價帶的電子被沖擊離子化后，產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)，電子和空穴不斷產(chǎn)生。這種元件可以用作0.8m范圍的光纖通信的受光裝置和光磁盤的受光期間還，能夠有效地處理微弱光線的問題，當(dāng)量子效率為68%以上時，可得到大于300MHz的高速響應(yīng)。工作電壓小于

3、180V時，則暗電流僅為0.3nA。采用鍺的APD所使用的波長范圍接近于1m,由于它專用于光纖通信，所以其響應(yīng)速度高達600MHz以上，偏壓30V以下時，可獲得高于55%的量子效率。暗電流很大，為0.5uA左右。GCAPD-B型APD雪崩光電二極管綜合實驗儀主要研究APD光電二極管的基本特性，如光電流、暗電流、光照特性、光譜特性、伏安特性及時間相應(yīng)特性等，以及這種光敏器件與其它光電器件的應(yīng)用差別。二、實驗儀說明1、電子電路部分結(jié)構(gòu)分布電子電路部分功能說明（1）電壓表：獨立電壓表，可切換三檔，200mV，2V，20V，通過撥段開關(guān)進行調(diào)節(jié)，白色所指示的位置即為所對應(yīng)的檔位。 “+”“-”分別對應(yīng)

4、電壓表的“正”“負”輸入極。（2）電流表：獨立電流表，可切換四檔，200uA，2mA，20mA，200mA通過撥段開關(guān)進行調(diào)節(jié)，白色所指示的位置即為所對應(yīng)的檔位?！?”“-”分別對應(yīng)電壓表的“正”“負”輸入極。（3）照度計電源：紅色為照度計電源正極，黑色為照度計電源負極。（）直流電源：0200V可調(diào)，“0200V”為直流電源的正極，另一端為負極。（）信號測試單元：TP1：與T1直接相連 TP2：與T2直接相連 TP ：光脈沖調(diào)制信號測試端 注：信號測試單元的GND與直流電源0200V不共地。 2、光通路組件圖1 光電二三極管光通路組件功能說明：分光鏡：50%透過50%反射鏡，將平行光一半給照度

5、計探頭，一半給等測光器件，實驗測試方便簡單，照度計可實時檢測出等測器件所接收的光照度。光器件輸出端：紅色APD光電二極管“P”極 黑色APD光電二極管“N”極第二章 APD光電二極管特性測試一、實驗?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、實驗內(nèi)容1、APD光電二極管暗電流測試實驗2、APD光電二極管光電流測試實驗3、APD光電二極管伏安特性測試實驗4、APD光電二極管雪崩電壓測試實驗5、APD光電二極管光電特性測試實驗6、APD光電二極管時間響應(yīng)特性測試實驗7、APD光電二極管光譜

6、特性測試實驗三、實驗儀器1、光電探測綜合實驗儀 1個2、光通路組件 1套3、光照度計 1臺4、光敏電阻及封裝組件 1套5、2#迭插頭對（紅色，50cm） 10根6、2#迭插頭對（黑色，50cm） 10根7、三相電源線 1根8、實驗指導(dǎo)書 1本9、示波器 1臺四、實驗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)上加高的反向偏壓時，耗盡層的電場很強，光生載流子經(jīng)過時就會被電場加速，當(dāng)電場強度足夠高(約3x105Vcm)時，光生載流子獲得很大的動能，

7、它們在高速運動中與半導(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，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。碰撞電離產(chǎn)生的電子一空穴對在強電場作用下同樣又被加速，重復(fù)前一過程，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)都進行了重摻雜，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)一直擴展(或稱拉通)到P+區(qū)，包括了中間的P層區(qū)和I區(qū)。圖6-1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+-

8、P區(qū)分布較強，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2x104Vcm)，可以保證載流子達到飽和漂移速度。當(dāng)入射光照射時，由于雪崩區(qū)較窄，不能充分吸收光子，相當(dāng)多的光子進入了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-空穴對稱為初級電子-空穴對。在電場的作用下，初級光生電子從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-空穴對稱為二次電子-空穴對?？梢?，I區(qū)仍然作為吸收光信號的區(qū)域并產(chǎn)生初級光生電子-空穴對，此外它還具有分離初級電子和空穴的作用，初級

9、電子在N+-P區(qū)通過碰撞電離形成更多的電子-空穴對，從而實現(xiàn)對初級光電流的放大作用。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)計性的，即為一個復(fù)雜的隨機過程。每一個初級光生電子-空穴對在什么位置產(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，這些都是隨機的。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隨機過程，因而倍增因子是在一個平均之上隨機起伏的量，雪崩倍增因子M的定義應(yīng)理解

10、為統(tǒng)計平均倍增因子。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。倍增噪聲的產(chǎn)生主要與兩個過程有關(guān)，即光子被吸收產(chǎn)生初級電子-空穴對的隨機性以及在增益區(qū)產(chǎn)生二次電子-空穴對的隨機性。這兩個過程都是不能準確測定的，因此APD倍增因子只能是一個統(tǒng)計平均的概念，表示為<M>，它是一個復(fù)雜的隨機函數(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)量子效率只與初級光生載流子數(shù)目有關(guān)，不涉及倍增問題，故量

11、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。當(dāng)光功率達到幾uW以上時，輸出電流和入射光功率之間的線性關(guān)系變壞，能夠達到的最大倍增增益也降低了，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)字信號脈沖幅度產(chǎn)生壓縮，或使模擬信號產(chǎn)生波形畸變，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，產(chǎn)生倍增效應(yīng)，輸出信號電流增大。當(dāng)反向偏壓接近某一電壓VB時，電流倍增最大，此時稱APD被擊穿，電壓VB稱作擊穿電壓。如果反偏壓進一步

12、提高，則雪崩擊穿電流使器件對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仍能正常工作。APD的暗電流有初級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間，載流子越過耗盡層所需的渡越時間以及二極管結(jié)電容和負載電阻的RC時間常數(shù)等因素。而渡越時間的影響相對比較大，其余因素可通過改進結(jié)構(gòu)設(shè)計使影響減至很小。五、實驗準備1、實驗之前，請仔細閱讀光電探測綜合實驗儀說明，弄清實驗箱各部分的功能及撥位開關(guān)的意義

13、；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、實驗過程中，請勿同時撥開兩種或兩種以上的光源開關(guān)，這樣會造成實驗所測試的數(shù)據(jù)不準確。六、實驗步驟1、APD光電二極管暗電流測試實驗裝置原理框圖如圖6-2所示 圖6-2（1）組裝好光通路組件，將照度計與照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將照度計電源線與面板上的照度計電源正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）將將三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”，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

14、小，連接好光照度計，直流電源調(diào)至最小，打開照度計，此時照度計的讀數(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,負載RL選擇RL11=100K歐,電流表選擇200uA檔。（5）打開電源開關(guān)，緩慢調(diào)節(jié)直流電源1,直到微安表顯示有讀數(shù)為止,記錄此時電壓表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,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間后才可穩(wěn)定)（6）實驗完畢，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，將照度計與照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連（紅為正極，

15、黑為負極），將照度計電源線與面板上的照度計電源正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）將將三擲開關(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,負載RL選擇RL11=100K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）實驗完畢，將光照度調(diào)至

16、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，將照度計與照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將照度計電源線與面板上的照度計電源正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）將三擲開關(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，負載RL選擇RL11=100K歐。（3）打開電源順時針調(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

17、，100V、120V、130V、140V、150V、160V、170V、180V時的電流表讀數(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，光生電流會迅速增加，電流表的讀數(shù)會增加N個數(shù)量級，由于APD在高于雪崩電壓的條件下工作時，PN結(jié)上的偏壓很容易產(chǎn)生波動，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?，F(xiàn)象，在記錄結(jié)果時，取數(shù)量級數(shù)值即可。)（特殊說明：在實驗過程中，請勿將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。） (6)根據(jù)上述實驗結(jié)果，作出200lx光照度下的AP

18、D光電二極管伏安特性曲線。偏壓（V）050100120130140150160170180光電流I（A）（注：由于APD雪崩光電二極管的個性差異，不同的APD光電二極管的雪崩電壓有050V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（1）根據(jù)實驗3伏安特性的測試方法,重復(fù)實驗3的實驗步驟, 分別測出光照度在100Lx,300lx和500lx光照度時,反向偏壓為0V、50V，100V、120V、130V、140V、150V、160V、170V、180V時的電流表讀數(shù)，填入下表，關(guān)閉電源。(2)根據(jù)上述實驗結(jié)果，在同一坐標軸下作出100Lx,300lx和500lx光照

19、度下的APD光電二極管伏安特性曲線,并進行分析,找出光電二極管的雪崩電壓。 偏壓（V）050100120130140150160170180光生電流1（A）光生電流2（A）光生電流3（A）5、APD光電二極管光照特性實驗裝置原理框圖如圖6-2所示。（1）組裝好光通路組件，將照度計與照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將照度計電源線與面板上的照度計電源正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）將三擲開關(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

20、流電源選擇電源1，負載RL選擇RL11=100K歐。（4）將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置。打開電源，調(diào)節(jié)直流電源1電位器，直到電壓表的顯示值略高于實驗4所測試的雪崩電壓即可，保持電壓不變,順時針調(diào)節(jié)光照度，增大光照度值，分別記下不同照度下對應(yīng)的光生電流值，填入下表。若電流表或照度計顯示為“1”時說明超出量程，應(yīng)改為合適的量程再測試。 光照度（Lx）0100300500700900光生電流（A） （5）根據(jù)上面表中實驗數(shù)據(jù)，在坐標軸中作出APD光電二極管的光照特性曲線,并進行分析.（6）實驗完畢，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光電二極管時間響應(yīng)

21、特性測試（1）組裝好光通路組件，將照度計與照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將照度計電源線與面板上的照度計電源正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）將三擲開關(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，負載RL選擇RL=1K歐.（4）示波器的測試點應(yīng)為A點，為了測試方便，可把示波器的測試點使用迭插頭對引至信號測試區(qū)的TP1和TP2。 圖6-3（5）打開電源，白光對應(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

22、道接TP和GND（即為輸入的脈沖光信號），用示波器的第二通道接TP2和TP1。（6）觀察示波器兩個通道信號，緩慢調(diào)節(jié)直流電源1直到示波器上觀察到信號清晰為止，并作出實驗記錄（描繪出兩個通道波形）。（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的寬度，觀察示波器兩個通道信號的變化，并作出實驗記錄（描繪出兩個通道的波形）并進行分析。（8）實驗完畢，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。7、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。本實驗儀采用高亮度LED（白、紅、橙、黃、綠、藍、紫）作為光源，產(chǎn)生400630nm離散光譜。光譜響應(yīng)度是光電探測器對單色光