PIN光电二极管综合实验.docx
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PIN光电二极管综合实验
PIN光电二极管综合实验仪
GCPIN-B
实
验
指
导
书
(V1.0)
武汉光驰科技有限公司
WUHANGUANGCHITECHNOLOGYCO.,LTD
目录
第一章PIN光电二极管综合实验仪说明-3-
一、产品介绍-3-
二、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-
第二章实验指南-5-
一、实验目的-5-
二、实验内容-5-
三、实验仪器-5-
四、实验原理-6-
五、实验准备-8-
六、实验步骤-8-
1、PIN光电二极管暗电流测试-8-
2、PIN光电二极管光电流测试-9-
3、PIN光电二极管光照特性-9-
4、PIN光电二极管伏安特性-10-
5、PIN光电二极管时间响应特性测试-10-
6、PIN光电二极管光谱特性测试-11-
第一章PIN光电二极管综合实验仪说明
一、产品介绍
对于以高速响应为目标的光电二极管来说,未来减少p-n节的电容,在p与n之间设计一个i层的高阻抗层结构,即在n型硅片上制作一层低掺杂的高阻层,即i层(本征层)在该层上在形成p层。
其工作原理:
来自p层外侧的入射光,主要由i层吸收,从而产生空穴和电子。
使用元件时要外加反向偏压,以使空穴朝p层移动,而电子朝n层移动,再由两电极流到外电路。
PIN硅光电二极管正常工作时,外加反向偏压使整个i层耗尽,i层有接近100%的量子效率,此外,比通常光电二极管宽的多的i层耗尽层,使得PIN管有小的多的单位面积结电容,因此,PIN管兼有灵敏度和响应速度的优点。
但由于i层的存在,PIN型光电二极管的光谱灵敏度在短波方向减弱,使短波限红外,使用于近红外区域是最大灵敏度波长为1um。
PIN型光电二极管可用于:
电视摄像机等遥控装置、伺服跟踪信号检测器等。
它的外形多作成半圆形的塑料透镜,所以其受光方向多为圆形。
GCPIN-B型光电PIN光电二极管综合实验仪主要研究PIN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他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:
0~12V可调,“0~12V”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0~12V不共地。
2、光通路组件
图1光电二三极管光通路组件
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——PIN光电二极管“P”极。
黑色——PIN光电二极管“N”极。
第二章实验指南
一、实验目的
1、学习掌握PIN光电二极管的工作原理
2、学习掌握PIN光电二极管的基本特性
3、掌握PIN光电二极管特性测试的方法
4、了解PIN光电二极管的基本应用
二、实验内容
1、PIN光电二极管暗电流测试实验
2、PIN光电二极管光电流测试实验
3、PIN光电二极管伏安特性测试实验
4、PIN光电二极管光电特性测试实验
5、PIN光电二极管时间响应特性测试实验
6、PIN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、PIN光电二极管及封装组件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
图5-1PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布
图5-1是PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布。
在高掺杂P型和N型半导体之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料,称为I层。
在半导体PN结中,掺杂浓度和耗尽层宽度有如下关系:
LP/LN=DN/DP
其中:
DP和DN分别为P区和N区的掺杂浓度;LP和LN分别为P区和N区的耗尽层的宽度。
在PIN中,如对于P层和I层(低掺杂N型半导体)形成的PN结,由于I层近似于本征半导体,有
DN< LP< 即在I层中形成很宽的耗尽层。 由于I层有较高的电阻,因此电压基本上降落在该区,使得耗尽层宽度W可以得到加宽,并且可以通过控制I层的厚度来改变。 对于高掺杂的N型薄层,产生于其中的光生载流子将很快被复合掉,因此这一层仅是为了减少接触电阻而加的附加层。 要使入射光功率有效地转换成光电流,首先必须使入射光能在耗尽层内被吸收,这要求耗尽层宽度W足够宽。 但是随着W的增大,在耗尽层的载流子渡越时间τcr也会增大,τcr与W的关系为 τcr=W/v 式中: v为载流子的平均漂移速度。 由于τcr增大,PIN的响应速度将会下降。 因此耗尽层宽度W需在响应速度和量子效率之间进行优化。 如采用类似于半导体激光器中的双异质结构,则PIN的性能可以大为改善。 在这种设计中,P区、N区和I区的带隙能量的选择,使得光吸收只发生在I区,完全消除了扩散电流的影响。 在光纤通信系统的应用中,常采用InGaAs材料制成I区和InP材料制成P区及N区的PIN光电二极管,图5-2为它的结构。 InP材料的带隙为1.35eV,大于InGaAs的带隙,对于波长在1.3~1.6um范围的光是透明的,而InGaAs的I区对1.3~1.6um的光表现为较强的吸收,几微米的宽度就可以获得较高响应度。 在器件的受光面一般要镀增透膜以减弱光在端面上的反射。 InGaAs的光探测器一般用于1.3um和1.55um的光纤通信系统中。 图5-2InGaAsPIN光电二极管的结构 从光电二极管的工作原理可以知道,只有当光子能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg才能产生光电效应,即 Hf>Eg 因此对于不同的半导体材料,均存在着相应的下限频率fc或上限波长λc,λc亦称为光电二极管的截止波长。 只有入射光的波长小于λc时,光电二极管才能产生光电效应。 Si-PIN的截止波长为1.06um,故可用于0.85um的短波长光检测;Ge-PIN和InGaAs-PIN的截止波长为1.7um,所以它们可用于1.3um、1.55um的长波长光检测。 当入射光波长远远小于截止波长时,光电转换效率会大大下降。 因此,PIN光电二极管是对一定波长范围内的入射光进行光电转换,这一波长范围就是PIN光电二极管的波长响应范围。 响应度和量子效率表征了二极管的光电转换效率。 响应度R定义为 R=IP/Pin 其中: Pin为入射到光电二极管上的光功率;IP为在该入射功率下光电二极管产生的光电流。 R的单位为A/W。 量子效率η定义为: η=光电转换产生的有效电子-空穴对数/入射光子数 =(IP/q)/(Pin/hf) =R(hf/q) 响应速度是光电二极管的一个重要参数。 响应速度通常用响应时间来表示。 响应时间为光电二极管对矩形光脉冲的响应——电脉冲的上升或下降时间。 响应速度主要受光生载流子的扩散时间、光生载流子通过耗尽层的渡越时间及其结电容的影响。 光电二极管的线性饱和指的是它有一定的功率检测范围,当入射功率太强时,光电流和光功率将不成正比,从而产生非线性失真。 PIN光电二极管有非常宽的线性工作区,当入射光功率低于mW量级时,器件不会发生饱和。 无光照时,PIN作为一种PN结器件,在反向偏压下也有反向电流流过,这一电流称为PIN光电二极管的暗电流。 它主要由PN结内热效应产生的电子一空穴对形成。 当偏置电压增大时,暗电流增大。 当反向偏压增大到一定值时,暗电流激增,发生了反向击穿(即为非破坏性的雪崩击穿,如果此时不能尽快散热,就会变为破坏性的齐纳击穿)。 发生反向击穿的电压值称为反向击穿电压。 Si-PIN的典型击穿电压值为100多伏。 PIN工作时的反向偏置都远离击穿电压,一般为10~30V。 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、PIN光电二极管暗电流测试 实验装置原理框图如图5-3所示,但是在实际操作过程中,光电二极管和光电三极管的暗电流非常小,只有nA数量级,因此实验中对电流表的要求较高。 本实验中,采用电路中串联大电阻的方法,图5-3中的RL选用RL21=20M,再利用欧姆定律计算出支路中的电流即为所测器件的暗电流。 图5-3 (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)将三掷开关BM2拨到“静态”,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)选用直流电源2,将电压表直接与电源2两输入端相连,打开电源,调节直流电源2,使得电压输出为15V,关闭电源。 (注意: 在下面的实验操作中请不要动电源调节电位器,以保证直流电源输出电压不变) (5)按图5-3所示的电路连接电路图,负载RL选择RL21=20M。 (6)打开电源,等电压表读数稳定后测得负载电阻RL上的压降V暗,则暗电流L暗=V暗/RL。 所得的电流即为偏置电压在15V时的暗电流。 (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) (7)实验完毕,直流电源调至最小,关闭电源,拆除所有连线。 2、PIN光电二极管光电流测试 实验装置原理图如图5-4所示。 图5-4 (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5-4连接电路图,直流电源选择电源2,RL取RL6=1K欧。 (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2到电压表显示为15V,请出此时电流表的读数,即为PIN光电二极管在偏压15V,光照300lx时的光电流。 (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、PIN光电二极管光照特性 (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5-4所示的电路连接电路图,直流电源选择电源2,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2电位器,直到显示值为15V左右,顺时针调节光照度电位器,增大光照度,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)根据上表中实验数据,作出PIN光电二极管在15V偏压下的光照特性曲线,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。 4、PIN光电二极管伏安特性 (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。 (4)按图5-4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。 (5)打开电源,顺时针调节照度调节旋钮,使照度值为500Lx,保持光照度不变,调节电源电压1,使反向偏压为0V、2V,4V、6V、8V、10V、15V、20V时的电流表读数,填入下表,关闭电源。 (注意: 偏置电压不能长时间高于30V,以免使PIN光电二极管劣化) 偏压(V) 0 -2 -4 -6 -8 -10 -15 -20 光生电流1(μA) 光生电流2(μA) (6)重复上述步骤,测量PIN光电二极管在800Lx照度下,不同偏压下的光生电流值。 (7)根据上面所测试的实验数据,在同一坐标轴作出光照在500lx和800lx时的伏安特性曲线,并进行分析比较。 (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。 5、PIN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5-5所示的电路连接电路图,直流电源选择电源2,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。 图5-5 (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和TP1。 (6)观察示波器两个通道的信号,缓慢调节直流电源2,直到示波器上观察到信号清晰为止,并作出实验记录(描绘出两个通道的波形)。 (7)缓慢调节脉冲宽度,增大输入信号的脉冲宽度,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,关闭电源,拆除导线。 6、PIN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光辐射的响应能力。 定义为在波长为λ的单位入射辐射功率下,光电探测器输出的信号电压或电流信号。 表达式如下: 或 式中, 为波长为λ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。 在测试过程中, 取相同值,则实验所测的响应度大小由 确定.下图为基准探测器的光谱响应曲线。 图5-6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)将三掷开关BM2拨到“静态”,将拨位开关S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7均拨下。 (3)将直流电源2输出直接与电压表相连,打开电源,调节电源2至电压表为10V,关闭电源。 (4)按如图5-7连接电路图,RL取RL=100K欧。 图5-7 (5)打开电源,缓慢调节光照度调节电位器到最大,将S2,S3,S4,S5,S6,S7依次拨上后拨下,分别记录照度计所测数据,并将其中最小值“E”作为参考。 (注意: 请不要同时将两个拨位开关拨上) (6)S2拨上,缓慢调节电位器直到照度计显示为E,将电压表测试所得的数据填入下表,再将S2拨下。 (7)依次将S3、S4、S5、S6、S7拨上后拨下,分别测试出橙光,黄光,绿光,蓝光,紫光在光照度E下时电压表的读数,填入下表。 波长(nm) 红(630) 橙(605) 黄(585) 绿(520) 蓝(460) 紫(400) 基准响应度 0.65 0.61 0.56 0.42 0.25 0.06 电压(mV) 响应度 (8)根据所测试得到的数据,做出PIN光电二极管的光谱特性曲线。
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