实验五 APD光电二极管特性测试 下载本文

实验五 APD光电二极管特性测试

一、 实验内容

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、 实验目的

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光电二极管光谱特性测试实验 三、 实验器材

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APD—Avalanche 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,包括了中间的P层区和I区。图4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-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。

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,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=(IP/P)=(ηq/hf)

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,因而应设法避免。

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;

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、 实验过程与现象

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“静态特性”,将拨位开关S1,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RL6=1K欧,电流表选择200uA档. (5)打开电源开关,缓慢调节直流电源电位器,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。 实验结果:U= V I= UA 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“静态特性”,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RL6=1K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。 实验结果:U= V I= UA 3、APD光电二极管伏安特性

(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,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RL6=1K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,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,待电压表和电流表稳定后方可读数) 偏压(V) 0 50 100 120 130 140 150 160 170 180 光生电流I(μA) (6)根据上述实验结果,作出200lx光照度下的APD光电二极管伏安特性曲线.

(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~50V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,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。 偏压(V) 0 50 100 120 130 140 150 160 170 180 光生电流1(μA) 光生电流2(μA)