APD光电二极管特性测试实验.docx
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APD光电二极管特性测试实验.docx
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APD光电二极管特性测试实验
APD光电二极管特性测试实验
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
9、示波器1台
四、实验原理
雪崩光电二极管APD—AvalanchePhotodiode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6-1APD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
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=
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
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。
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、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,当反向偏置电压高于雪崩电压时,光生电流会迅速增加,电流表的读数会增加N个数量级,由于APD在高于雪崩电压的条件下工作时,PN结上的偏压很容易产生波动,影响到增益的稳定性,因此产生的光电流不稳定,属于正常现象,在记录结果时,取数量级数值即可。
)
(特殊说明:
在实验过程中,请勿将APD光电二极管长期工作在雪崩电压以上,以免烧坏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(V)
0
50
100
120
130
140
150
160
170
180
光电流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
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)
光生电流3(μA)
(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1lx,10lx,50lx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。
(2)根据上述实验结果,在同一坐标轴下作出100Lx,300lx和500lx光照度下的APD光电二极管伏安特性曲线,并进行分析,找出光电二极管的雪崩电压.
5、APD光电二极管光照特性
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),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。
(4)将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。
打开电源,调节直流电源电位器,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,顺时针调节该旋钮,增大光照度值,分别记下不同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_”时说明超出量程,应改为合适的量程再测试。
光照度(Lx)
0
100
300
500
700
900
光生电流(μA)
(5)根据上面表中实验数据,在坐标轴中作出APD光电二极管的光照特性曲线,并进行分析.
(6)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。
6、APD光电二极管时间响应特性测试
(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所示的电路连接电路图,直流电压源选用电源1,负载RL选择RL=1K欧.
(4)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。
图6-3
(5)打开电源,白光对应的发光二极管亮,其余的发光二极管不亮。
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)观察示波器两个通道信号,缓慢调节直流电源电位器直到示波器上观察到信号清晰为止,并作出实验记录(描绘出两个通道波形)。
(7)缓慢调节脉冲宽度调节,增大输入脉冲的脉冲信号的宽度,观察示波器两个通道信号的变化,并作出实验记录(描绘出两个通道的波形)并进行分析。
(8)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。
6、APD光电二极管光谱特性测试
当不同波长的入射光照到光电二极管上,光电二极管就有不同的灵敏度。
本实验仪采用高亮度LED(白、红、橙、黄、绿、蓝、紫)作为光源,产生400~630nm离散光谱。
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射下,光电探测器输出的信号电压或电流信号。
即为
或
式中,
为波长为
时的入射光功率;
为光电探测器在入射光功率
作用下的输出信号电压;
则为输出用电流表示的输出信号电流。
本实验所采用的方法是基准探测器法,在相同光功率的辐射下,则有
式中,
为基准探测器显示的电压值,K为基准电压的放大倍数,
为基准探测器的响应度。
取在测试过程中,
取相同值,则实验所测测试的响应度大小由
的大小确定.下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),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,S4,S3,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。
(4)打开电源,缓慢调节电位器直流电源电位器,直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,缓慢调节电位器直到照度计显示为E=10lx,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)根据所测试得到的数据,做出APD光电二极管的光谱特性曲线。
(8)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。
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