APD光电二极管综合实验
APD光电二极管特性(精)
APD光电二极管特性
教学环境
多媒体机房
教学
内容
1.APD光电二极管一般性能
2.倍增因子
3.过剩噪声因子
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目标
1．了解PIN光电二极管一般性能2．ຫໍສະໝຸດ 解倍增因子3．了解过剩噪声因子
重点
难点
1、掌握查看APD光电二极管的参数表，并根据参数表选型。
教学
方法
讲授、讨论、总结
教学
过程
讲授：
1.APD光电二极管一般性能
例举Si材料和InGaAs材料的雪崩光电二极管的参数表格，APD光电二极管的参数
包括光谱响应范围、峰值波长、灵敏度、量子效率、击穿电压、击穿电压温度系数、暗电流、截止波长、结电容、附加噪声指数和增益等。以及两者的特点和应用场合。
2.倍增因子
倍增因子是APD输出光电流和一次光生电流的比值，APD的响应度比PIN增加了g
倍。现有的APD的g值已达几十甚至上百，随反向偏压、波长和温度变化
3.过剩噪声因子
过剩噪声因子F是由于雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数。附加噪声指数与器件所用的材料和工艺相关，并例举了硅、锗和铟镓砷几种材料的附加噪声指数。
小结：
课堂总结
光电二极管实验操作要点与数据处理
光电二极管实验操作要点与数据处理光电二极管是一种常见的光电器件，其原理是利用光照射在光电二极管上时，光子会激发电子跃迁至导带中，从而产生光电效应。
在光电二极管实验中，我们通常会进行测量和分析，以获得相关的数据和结论。
以下将介绍光电二极管实验的操作要点和数据处理的一些常用方法。
一、光电二极管实验操作要点1. 实验器材准备首先，为了保证实验的准确性和可靠性，需要使用高质量的光电二极管和其他实验器材。
确保实验器材是清洁的，以避免灰尘和污染对实验结果的影响。
2. 实验环境控制在进行光电二极管实验时，环境条件的控制非常重要。
光照的强度、波长和角度都会对实验结果产生影响。
因此，需要在实验过程中保持较为恒定的光照条件。
可以使用光源和滤光片来调节光照强度和光谱特性。
3. 光电二极管电路连接将光电二极管正确地连接到电路中是实验的第一步。
光电二极管通常有两个引脚，其中一个是阳极端，一个是阴极端。
阳极端连接到正电源，阴极端连接到负电源。
确保连接的稳定和可靠，以避免电路断开或产生干扰。
4. 光电二极管灵敏度测试在进行实验之前，可以通过灵敏度测试来评估光电二极管的性能。
可以使用已知光源的强度和波长，分别照射光电二极管，并记录相应的电流和电压值。
通过比较不同光源下的测量结果，可以对光电二极管的灵敏度做初步评估。
二、光电二极管数据处理方法在进行光电二极管实验后，我们需要对所获得的数据进行分析和处理，以得出有意义的结论。
以下是几种常用的数据处理方法。
1. 电流-电压特性曲线根据实验的测量结果，可以绘制光电二极管的电流-电压特性曲线。
在该曲线上，横坐标表示加在光电二极管上的电压，纵坐标表示通过光电二极管的电流。
这样的曲线能够直观地反映出光电二极管的工作状态和特性。
2. 光照强度-电流关系通过改变光照的强度，可以记录相应的光照强度和光电二极管输出的电流。
通过绘制光照强度和电流之间的关系曲线，我们可以了解到光电二极管的灵敏度和响应特性。
(整理)APD光电二极管综合实验.
APD光电二极管综合实验仪GCAPD-B实验指导书(V1.0)武汉光驰科技有限公司WUHAN GUANGCHI TECHNOLOGY CO.,LTD目录第一章 APD光电二极管综合实验仪说明 ................ - 3 -1、电子电路部分结构分布......................... - 3 -2、光通路组件 .................................. - 4 - 第二章 APD光电二极管特性测试.................... - 5 -1、APD光电二极管暗电流测试..................... - 7 -2、APD光电二极管光电流测试..................... - 8 -3、APD光电二极管伏安特性....................... - 8 -4、APD光电二极管雪崩电压测试 ................... - 9 -5、APD光电二极管光照特性....................... - 9 -6、APD光电二极管时间响应特性测试 .............. - 10 -7、APD光电二极管光谱特性测试 .................. - 10 -第一章 APD光电二极管综合实验仪说明一、产品介绍雪崩光电二极管的特点是高速响应性和放大功能。
雪崩光电二极管(APD)的基片材料可采用硅和锗等材料。
其结构是在n型基片上制作p层，然后在配置上p+层。
一般上部的电极制作成环状，这是考虑到能获得稳定的“雪崩”效应。
外来的光线通过薄的p+层，然后被p层吸收，从而产生了电子和空穴。
由于在p层上存在着105V/cm的电场，因此位于价带的电子被冲击离子化后，产生雪崩倍增效应，电子和空穴不断产生。
这种元件可以用作0.8m范围的光纤通信的受光装置和光磁盘的受光期间还，能够有效地处理微弱光线的问题，当量子效率为68%以上时，可得到大于300MH z的高速响应。
APD光电二极管的特性测试及应用研究1
[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
2014.1.18-3.20
2
学习APD光电二极管的工作原理
2014.3.21-3.30
3
理解APD光电二极管的各项参数指标并测试
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器件表面设计一层防反射层，这层防反射层可以使入射光在APD器件的表面发生多次反射，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，成本较高，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。
制约硅基APD在近红外方向特别是1064nm波段发展的原因有两个，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较高，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。
APD光电二极管特性测试实验
APD光电二极管特性测试实验APD光电二极管特性测试实验1，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2，实验内容有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3、实验仪器1、光电检测综合实验仪器12、光路组件1组3、测光表1组4、1组5和2#重叠插头对(红色，50厘米)和10组6和2#重叠插头对(黑色，50厘米)10根7相电力电缆，1根8相电源线，1本9实验说明书，1台4示波器，雪崩光电二极管APD—雪崩光电二极管是一种具有内部增益的光电探测器，可用于探测微弱的光信号并获得较大的输出光电流。
雪崩光电二极管的内部增益基于碰撞电离效应。
当高反向偏置电压施加到PN结时，5耗尽层中的电场非常强，并且光生载流子在通过时将被电场加速。
当电场强度足够高(约3x10v/cm)时，光生载流子获得大量动能。
它们与半导体晶格高速碰撞，电离晶体中的原子，从而激发新的电子-空穴对。
这种现象被称为碰撞电离碰撞电离产生的电子-空穴对也在强电场的作用下加速，并重复前面的过程。
由于多次碰撞电离，载流子迅速增加，电流迅速增加。
这一物理过程被称为雪崩倍增效应。
++图6-1是APD的结构与电极接触的外侧的P区和N区被重掺杂，分别由P和N+表示；在I区和n区的中间是另一层宽度较窄的p区APD在大的反向偏置下工作。
当反向偏置电压增加到++到一定值时，耗尽层从N-P结区延伸到P区，包括中间P层区和I+区图4的结构是直通APD结构从图中可以看出，电场分布在区域一相对较弱，但在区域N-P++相对较强。
碰撞电离区，即雪崩区，位于n-p区虽然I区的电场比N-P区低得多，但也足够高，达到4(最高2×10V/cm)，从而保证载流子达到饱和漂移速度。
APD实验指导书V1.01
目录第一章APD光电二极管综合实验仪说明.......... 错误!未定义书签。
二、实验仪说明................................................................................. 错误!未定义书签。
1、电子电路部分结构分布............................ 错误!未定义书签。
2、光通路组件 ..................................... 错误!未定义书签。
第二章 APD光电二极管特性测试.............. 错误!未定义书签。
1、APD光电二极管暗电流测试........................ 错误!未定义书签。
2、APD光电二极管光电流测试........................ 错误!未定义书签。
3、APD光电二极管伏安特性.......................... 错误!未定义书签。
4、APD光电二极管雪崩电压测试...................... 错误!未定义书签。
5、APD光电二极管光照特性.......................... 错误!未定义书签。
6、APD光电二极管时间响应特性测试.................. 错误!未定义书签。
7、APD光电二极管光谱特性测试...................... 错误!未定义书签。
第一章 APD光电二极管综合实验仪说明一、产品介绍雪崩光电二极管的特点是高速响应性和放大功能。
雪崩光电二极管(APD)的基片材料可采用硅和锗等材料。
其结构是在n型基片上制作p层，然后在配置上p+层。
一般上部的电极制作成环状，这是考虑到能获得稳定的“雪崩”效应。
外来的光线通过薄的p+层，然后被p层吸收，从而产生了电子和空穴。
由于在p层上存在着105V/cm的电场，因此位于价带的电子被冲击离子化后，产生雪崩倍增效应，电子和空穴不断产生。
光电综合实验报告
光电综合实验报告
实验目的：通过光电综合实验，了解光电效应在光电器件中的应用，掌握光电检测技术和光电器件的使用方法。
实验仪器：光电综合实验箱、光电二极管、光电三极管、光电开关等光电器件。
实验原理：光电效应是指当光照射在半导体材料上时，电子受到能量激发而跃迁至导带，从而产生电流或电压的现象。
光电器件是利用光电效应制成的电子器件，如光电二极管、光电三极管和光电开关等。
实验步骤：
1.将光电二极管插入实验箱中，并连接好电路。
2.调节实验箱上的光强度调节钮，观察光电二极管的输出信号。
3.更换光电三极管，并重复步骤2。
4.使用光电开关进行实验，观察其在光照和无光照状态下的输出信号变化。
实验结果：
通过实验，我们观察到光电二极管在光照射下产生了电流信号，光照强度越大，输出信号越强。
光电三极管的输出信号也随着光照强度的变化而变化，但其灵敏度比光电二极管更高。
而光电开关在有光照时输出高电平，在无光照时输出低电平，可以用于光控开关等应用。
实验结论：
光电器件是利用光电效应制成的电子器件，能够将光信号转换为电信号，具有灵敏度高、响应速度快等优点，并且在光控开关、光电传感器等领域有着广泛的应用。
通过本次实验，我们成功掌握了光电器件的使用方法及其在光电检测技术中的应用。
总结：
光电综合实验让我们更加深入地了解了光电效应在光电器件中的应用，通过实验操作，我们掌握了光电器件的使用方法，为今后在光电检测技术领域的应用奠定了基础。
希望能够通过不断地实践和学习，进一步提高自己的实验技能和理论水平。
基于apd光电二极管的光电转换电路研制
引言：光电二极管可以将接收到的光信号转化为电信号，其性能有多种表征方式，例如光电响应度、暗电流、有效频率区间等，根据其功能和应用的不同特点，不同类型的光电二极管都有各自的应用范围。
较为常见的两种光电二极管为PIN 型和APD 型光电二极管，其中PIN 型光电二极管是在PN 结中间加入了一个I 极，能够实现电子和空穴扩散并激发光子的作用，APD 型光电二极管的特点是具有电流放大作用，能够将微弱光信号通过电子雪崩效应转换为较强的电流输出，因此对于微弱光信号的检测，常使用APD 型光电二极管进行光电信号转换。
APD 型光电二极管的驱动技术较为成熟，需要注意的是不同类型的APD 光电二极管会根据厂家的封装而导致偏置电压的不同，通常其偏置电压会在数据手册中给出，设计人员需要根据手册中的信息进行驱动电源电路的设计。
本文采用的APD 型光电二极管检测范围为800-1700nm，响应度为0.9A/W，接口为带尾纤的FC/APC 型接口，适用于各类微弱光信号转换系统，本文设计的电路用于气体检测实验系统。
因此本文针对APD 光电二极管开展相关测试实验，并通过噪声抑制的方法，设计并制作可以提取微弱光信号的检测器电路，为光电检测领域的工作提供参考。
一、光电噪声抑制项目中使用的APD 光电二极管需要较高的偏压才能够工作，根据器件的测试手册，开展了实验测试，使用39V 电压作为偏压，测试的结果如图1所示。
图中可见，信号耦合了大量噪声，这对于高速光电信号转换是不利的，因此需要进行噪声去除工作。
系统中首先更换了供电电源电路，使用噪声较低的线性稳压电源替代之前的开关电源，这对于电源纹波造成的噪声抑制是十分必要的。
其次系统中使用了低通滤波电路，有效去除了部分高频噪声。
最后，系统中使用了差分电路，可以使用参考通道进行差分处理，可以进一步去除系统噪声。
图1耦合噪声信号的光电转换信号示波器截图二、光电信号转换实验对研制电路进行光电信号转换测试实验，以1550nm 的近红外脉冲信号作为输入光源，信号频率为270Hz，使用示波器进行截图，测得的信号如图2所示。
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雪崩光电二极管(APD)的基片材料可采用硅和锗等材料。
其结构是在n型基片上制作p层，然后在配置上p+层。
一般上部的电极制作成环状，这是考虑到能获得稳定的“雪崩”效应。
外来的光线通过薄的p+层，然后被p层吸收，从而产生了电子和空穴。
由于在p层上存在着105V/cm的电场，因此位于价带的电子被冲击离子化后，产生雪崩倍增效应，电子和空穴不断产生。
这种元件可以用作0.8m范围的光纤通信的受光装置和光磁盘的受光期间还，能够有效地处理微弱光线的问题，当量子效率为68%以上时，可得到大于300MH z的高速响应。
工作电压小于180V时，则暗电流仅为0.3nA。
采用锗的APD所使用的波长范围接近于1m,由于它专用于光纤通信，所以其响应速度高达600MHz以上，偏压30V以下时，可获得高于55%的量子效率。
暗电流很大，为0.5uA左右。
GCAPD-B型APD雪崩光电二极管综合实验仪主要研究APD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它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：0～200V可调，“0～200V”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0～200V不共地。
2、光通路组件出端输出端图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——APD光电二极管“P”极黑色——APD光电二极管“N”极第二章 APD光电二极管特性测试一、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—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结上加高的反向偏压时，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6-1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=I P/I P0式中：I P是APD的输出平均电流；I P0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-空穴对的随机性以及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<M>，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=<M>(I P/P)=<M>(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，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。
当反向偏压接近某一电压V B时，电流倍增最大，此时称APD被击穿，电压V B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）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RL11=100K 欧,电流表选择200uA档。
（5）打开电源开关，缓慢调节直流电源1,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。