APD光电二极管的特性测试及应用研究1.docx
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APD光电二极管的特性测试及应用研究1
四川理工学院毕业设计〔论文〕
APD光电管的特性测试及应用研究
学生:
XXX
学号:
XXX
专业:
物理学
班级:
2021.1
指导教师:
XXX
四川理工学院理学院
二O一四年六月
附件1:
四川理工学院毕业设计〔论文〕任务书
四川理工学院
毕业设计〔论文〕任务书
设计〔论文〕题目:
APD光电管的特性测试及应用研究
系:
物理专业:
物理学班级:
2021级1班学号:
学生:
XXX指导教师:
XXX
接受任务时间2021.01.18
教研室主任〔签名〕二级学院院长〔签名〕
1.毕业设计〔论文〕的主要内容及根本要求
1)学习APD光电二极管的工作原理;
2〕理解APD光电二极管的各项参数指标并测试各项参数如:
暗电流、伏安特性、雪崩电压、光谱特性等;
3〕设计利用APD光电二极管的相关检测电路并实际制作硬件;
4)撰写毕业论文,参加辩论。
2.指定查阅的主要参考文献及说明
[1]JeraldGraeme.光电二级管及其放大电路设计[M].北京:
科学出版社.2021.8
[2]史玖德.光电管与光电倍增管[M].1981年
[3]黄德修.半导体光电子学(第二版)[M].北京:
电子工业出版社,2021.1.
[4]安毓英.光电子技术[M].北京:
电子工业出版社,2021.12.
[5]王庆有.光电传感器应用技术[M].北京:
机械工业出版社,2007.10.
[6]其他:
可网上搜索查找相关中文和外文文献。
3.进度安排
设计〔论文〕各阶段名称
起止日期
1
查阅文献资料,确定方案,写文献综述
2
学习APD光电二极管的工作原理
3
理解APD光电二极管的各项参数指标并测试
各项参数如:
暗电流、伏安特性、雪崩电压等
4
设计利用APD光电二极管的相关检测电路
5
制作调试所设计的电路
6
撰写论文
7
准备论文辩论
注:
本表在学生接受任务时下达
摘要
APD-AvalanchePhotodiode称为雪崩光敏二极管,在光电二极管的P-N结上加上反向偏压,那么入射的光子被P-N结吸收后就会形成光电流。
雪崩光敏二极管广泛应用于电磁兼容测试、生物发光检测、激光成像系统、激光测距、激光雷达、激光陀螺、红外探测、金属矿石选择等领域。
本文在分析APD工作原理的根底上,在实验室实际测试了APD光电二极管的暗电流、光电流、伏安特性、雪崩电压、光电特性、光谱特性等。
最后设计了一个通过单片机控制并显示的光敏开关电路,在实验室调试成功。
关键词:
APD;光电特性测试;半导体;单片机
Abstract
APDmeansAvalanchePhotodiode.Thephotodiode’sP-Njunctionabsorptionphotonincidentcanbeformedthelightcurrentwhenitiswiththereversebias.AvalanchephotodiodeiswidelyusedinEMCtest,bioluminescencedetection,laserimagingsystem,laserranging,laserradar,lasergyro,infrareddetection,andmetaloreselectionetc.BasedontheanalysisoftheworkingprincipleofAPD,thispapershowsthetestingoftheAPD’sdarkcurrentofphotodiodedarkcurrent,photocurrent,voltamperecharacteristics,avalanchevoltage,opticalcharacteristics,andspectralcharacteristicsinthelaboratory.Finally,aphotosensitiveswitchcircuitcontrolledbyMCUwasdesignedanddebuggedsuccessfullyinthelaboratory.
Keywords:
APD;Photoelectriccharacteristicstest;Semiconductor;MCU
第一章引言
1.1课题背景
光探测技术在当今时代是普遍应用的,并且改变着现代人类传递和接收信息的方式。
其中雪崩光电二极管(APD)更是一种广泛应用的光电子器件,主要应用于工业、医疗、航空航天以及科学研究等领域,包括光通信、激光测距[1]、深空激光通信、时间光子分辨计数、量子密钥分配、激光成像[2],经常被作为一种前置放大器使用。
事实上,目前的光通讯系统前置放大器的设计往往采用APD基的接收器而非以前传统的PIN二极管和掺铒光纤放大器的组合。
APD之所以在光通信领域应用广泛,是因为APD具有较高的内部增益,在一些高速系统中可以提高接收器的灵敏度。
由于硅半导体工艺技术业已完善成熟,特别容易与其他微电子器件结合,而且在制作硅基半导体器件时的Si薄膜材料有晶体型,无定型和多孔型等多种形式,应用灵活方便。
因此硅基光电探测器对于探测波长为200nm-900nm的波段应用越来越普遍,而且在这个波段Si基光电子探测器的响应度比拟高,但是随着波长的增加到1000nm左右的时候器件敏感响应度会很低。
特别是伴随着近年来光通讯领域的迅猛开展,尤其是1064nm波段YAG激光器的技术成熟和广泛应用,使得对近红外波段的光探测器件的需求越来越大,进而对APD在近红外波段的高敏感度的探测提出了迫切要求。
但遗憾的是基于硅禁带宽度较大的固有缺陷,使得传统的硅基APD在近红外波段的响应度一直没能满足人们的需求。
制约硅基APD在近红外方向特别是1064nm波段开展的原因有两个,第一,硅的禁带宽度是1.12eV,从而导致硅对1100nm处光的吸收截止。
Si是间接带隙材料,在300K时硅的禁带宽度是1.12eV。
因此硅的吸收截止波长是1100nm。
从而导致由间接半导体材料制做的APD器件在截止波长附近吸收效率非常低。
为了使硅基APD在1064nm处获得较高的量子效率,人们研发出使用其它半导体材料(锗、铟或者砷化镓)制作光电子器件,但是这些材料的光电子器件暗电流和噪声比拟高,价格昂贵,而且与硅的晶格不匹配。
或者改变硅基APD的结构设计,还可以使用飞秒激光微构造技术,来改变硅在近红外处的光吸收特性。
第二,APD制造工艺过程中必须引入尽可能少的缺陷以减少暗电流,从而保证器件具有较高的信噪比。
因此,拓宽硅基光电探测器件的探测波长范围及探测效率,不仅成为一个较为热点的研究领域,引起了各国科研工作者的兴趣,同时也成为光通信领域迫切需要克服的难题,是市场应用所需迫切解决的问题。
最近几年人们尝试了各种方法来提高Si基APD的近红外探测效率,其中有增加Si基APD吸收层的厚度从而提高光子在Si中的吸收,然而随着APD体积的增加,不但提高了近红外处的量子效率,同样增加APD器件的暗电流和噪声,也提高了APD的响应时间,所以用这种方法提高APD近红外的敏感率并不是最好的方法。
还有一种方法就是在APD器件外表设计一层防反射层,这层防反射层可以使入射光在APD器件的外表发生屡次反射,从而增加了透入到器件内部的光子,也不会增加APD器件的体积,但是这种方法对工艺制作流程要求严格,本钱较高,虽然能提高器件的整体效果但依然不能将1064nm处的光探测效率提高到理想的程度。
总之,拓展硅基APD器件的敏感波段,并提高硅基APD近红外敏感探测量子探测效率,越来越成为近年来急需研究解决的问题。
1.2国内外研究现状
1.2.1APD的开展概况
一个世纪以前光探测技术就已经存在于人们的生产和生活当中,并且改变着人类传递和接收信息的方式。
光探测器可以分为三大种:
光电倍增管(PMT),光电导元件及光电二极管。
早在1913年Einstein创造光电功函数不久,探测弱光信号成为可能,大概20年后,在RCA实验室创造了第一台光电倍增管并于1936年投入市场,从此以后单光子探测成为可能。
从此以后光电子器件的开展越来越趋于成熟,第一台硅基雪崩光电二极管实现于六十年代后期,由CRA公司的Mcintyre和Haitz在肖克利实验室完成。
第一个关于雪崩光电二极管的专利授予在六十年代末,七十年代初。
紧接着日本于1972年也发表了相关专利,那时雪崩光电二极管已经开始按照它们的工作方式分为线性的和盖革模式。
以下图1-1即为日本首发的固态单光子雪崩光电二极管。
图1-2是Mcintyre和Haitz首次创造的APD简图。
图1-1日本第一个雪崩光电二极管简图
Fig.1-1ThefirstAPDdiagramofJapanse
图1-2Mcintyre和Haitz创造的APD简图
Fig.1-2TheAPDofMcintyreandHaitzinvented
第一个Geiger模式的APD的性能尽管并不很理想,但是它在几个反向偏电压下已经能够探测出单光子,此项研究奠定了对APD器件深入研究的根底。
这种雪崩光电二极管称为单光子雪崩光电二极管(SPAD),随后由Perkin-Elmer创造了SLIKTM结构,不久由RMC公司设计出了单光子雪崩光电二极管阵列。
1987年在罗克韦尔国际科研中心Stapelbrodk等创造了固态的光电倍增管(SSPM),这是一个有着较高的施主掺杂浓度的APD,由于高浓度掺杂的存在,产生了一个低于导带50MeV的杂质能带。
这种结构APD对近红外光的敏感度较差,被人们称之为可见光子探测器(VLPC)。
1990年由德国创造了MRS结构的APD(Metal-Resistor-Semiconductor),MRSAPD的结构如图1-3所示,是由一层很薄(约0.01μm)的金属Ti层,下边一层为电阻是30-80MΩ/cm的SiC或者SixOy层,这层用来降低由于局部电场效应引起的盖革击穿,这种结构的制作要求极为严格。
剩下的工艺步骤即为常规的半导体器件的制作步骤。
其封装后的整体结构简图如图1-4所示。
图1-3MRSAPD结构图
Fig.1-3thestructureofMRSAPD
图1-4盖革模式APD的整体结构
Fig.1-4geigermodethemonolithicconstructionofGeigermodeAPDgeigermode
2001年,C.Wu,C.H.crouch和E.Mazur等人发现飞秒激光在SF6气体中照射硅外表后,其外表将会形成一层黑色的圆锥状结构。
这种结构后来被称为“黑硅〞,哈佛大学研究小组发现,这种结构硅材料的光吸收特性发生了很大的改变,晶体硅的吸收波长仅仅在200nm-800nm,在1000nm处几乎截止,但是经过飞秒激光辐照的这种硅材料的光吸收波长扩宽到2500nm,而且在整个250nm-2500nm之间光的吸收高到达90%,这种突破性发现,对于硅材料的应用开辟了更为广阔的前景。
更为半导体器件的制作提供了一种新材料,这种材料将突破Si半导体器件的很多限制,拓宽了Si光电探测器的光探测范围。
同时也为我们提供了一种掺杂S的技术。
2004年美国哈佛大学E.Mazur等人将这种经过微处理的硅基材料应用于雪崩光电二极管(APD),将1100nm波长处的吸收量子效率提高到58%。
不久,RichardA.Myers等人也研究了经过飞秒激光微处理后的硅基APD在近红外波段的量子响应效率,2006年发表的文献得出了与E.Mazur等人根本一致的结论。
与此同时,日本滨松也致力于将“黑硅〞这种材料应用于提高APD近红外增强,并做出了相关产品。
图1-5改良后的APD在650nm~1200nm波段的量子效率
Fig.1-5QuantumefficiencyoftheimprovedAPDwhosewavelengthisbetween650nmto1200nm
2021年哈佛大学工程和应用科学学院利用飞秒激光处理技术,将这种微构造应用于PSAPD,增强了近红外响应效率,使器件在1064nm波段处的量子效率提高到58%。
从第一个APD出现以来,APD无论是在科研领域还是在工业应用领域变得越来越重要。
与光电倍增管(PMTs)相比雪崩光电二级管具有更高的量子效率,更高的总体敏感性,更高的信噪比。
最近几年,越来越多的制造APD的材料和技术被开发和应用,根据各种各样的需求,例如近红外单光子探测、宽光谱范围探测、较高的响应时间等,越来越多的APD结构被设计出来。
不同材料APD的性能特点
本节我们根据APD的制造材料及性能应用对APD分类进行详细的介绍。
目前最常用的APD是Si或者Ge材料。
Si和Ge是现代社会广泛应用的半导体材料。
Si和Ge很早以来就被人们深入研究并且广泛应用于半导体器件的制造。
它们都是间接半导体材料,在300K下Si和Ge的禁带宽度分别为1.12eV和0.66eV,因此他们的截止波长为1100nm和1880nm。
APD另外还有InGaAs-InP和HgCdTe材料的APD。
HgCdTe是HgTe和CdTe两种材料的固溶体。
根据Cd在HgCdTe材料中所占的比重导致材料的禁带宽度在0eV-1.6eV之间变化。
因此可以根据Cd的不同掺杂比例来调整材料的禁带宽度,从而获得我们所需要的材料。
HgCdTe材料的APD器件通常只存在于实验室的应用而且通常需要低温操作。
InGaAs-InPAPD主要应用于光纤网络中的光学接收器用来接收波长为1310/1550nm的电信波长,该类型器件主要用直接带隙半导体材料InGaAs制造。
InGaAs材料与InP的晶格结构非常匹配所以可以用InP作为APD器件的基底。
InGaAs-InPAPD的倍增层是由具有宽带宽特性的InP材料制成。
这种材料的APD可以获得较好的时间响应。
但是由于InGaAs和InP两种材料的接触面处存在的不完美匹配,使得APD器件因缺陷而存在很大的噪声,极不适合盖革模式下低噪声的光电探测。
关于Si和Ge材料的APD,我们主要介绍Si材料的APD。
Si材料的禁带宽度的限制使得Si材料的APD在探测近红外光的时候受到很大限制,越来越多的致力于扩展Si的探测光谱的研究开始出现。
越来越多的Si材料的APD也被研发出来。
目前已经有的Si材料APD包括:
高速高增益型、近红外增强型、蓝光增强型以及拉通型。
本文在分析APD工作原理的根底上,在实验室实际测试了APD光电二极管暗电流、APD光电二极管光电流、APD光电二极管伏安特性、APD光电二极管雪崩电压、APD光电二极管光电特性、APD光电二极管时间响应特性、APD光电二极管光谱特性测试等实验。
最后设计了一个关于APD光电二极管的前置放大模块,通过单片机驱动液晶显示器,实现了光敏开关的作用。
第二章雪崩光电二极管的根本原理
2.1APD典型结构分析
图2-1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2-1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),可以保证载流子到达饱和漂移速度。
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。
而所有的初级空穴那么直接被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,此外它还具有别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2-1APD的结构及电场分布
Fig2-1thestructureofAPDanditselectric-fielddistribution
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〔2.1.1〕
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随反向偏压的增大而增大,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。
当光功率到达几μW以上时,输出电流和入射光功率之间的线性关系变坏,能够到达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,因而应设法防止。
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,那么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比照拟大,其余因素可通过改良结构设计使影响减至很小。
第三章APD光电二极管特性测试实验
3.1测试APD光电二极管的目的
熟悉APD光电二极管的工作原理,以及APD光电二极管的根本特性。
并且熟练掌握APD光电二极管特性测试方法,以便进一步研究APD光电二极管的根本应用并探索新的应用领域。
3.2测试APD光电二极管的主要参数
本实验主要测试APD光电二极管暗电流、APD光电二极管光电流、APD光电二极管伏安特性、APD光电二极管雪崩电压、APD光电二极管光电特性、APD光电二极管时间响应特性、APD光电二极管光谱特性等主要参数。
3.3实验所需主要仪器
图3-1实验箱图3-2实验面板
Fig3-1theexperimentalboxfig3-2theexperimentalpanelexperimentalboxexperimentbox
图3-3APD雪崩光电二极管图3-4电源线及导线
Fig3-3theAPDfig3-4thepowercordandwireway
图3-5脉冲宽度及光照度调节面板图3-6照度计
Fig3-5thepanelofpulsewidthandilluminomenterFig3-6theilluminomenter
要完本钱实验的相关参数测试需要如下仪器:
〔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〕迭插头导线〔红色,50cm〕10根;〔6〕迭插头导线〔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。
3.4APD光电二极管实验原理
雪崩光电二极管APD—AvalanchePhotodiode[5]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,这样屡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。
3.5实验过程中的考前须知
实验之前,需要仔细阅读光电探测综合实验仪说明,弄清实验箱各局部的功能及拨位开关的意义;当电压表和电流表显示为“1_〞是说明超过量程,应更换为适宜量程;连线之前保证电源关闭。
其次实验过程中,不能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。
3.6实验内容及数据分析
3.6.1APD光电二极管暗电流测试
图3-7实验装置原理框图
Fig3-7theschematicdiagramoftheexperimentaldevice
〔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,翻开照度计,此时照度计的读数应为0lx。
〔4〕按图3-7所示的电路连接电路图,直流电源选择电源1,负载RL选择RL11=100K欧,电流表选择200uA档.
〔5〕翻开电源开关,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,否那么测试过程中电压表需要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,撤除所有连线。
〔7〕数据记录:
表3-1APD光电二极管暗电流
Table3-1thedarkcurre
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