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。

当入射光被照射时，由于窄的雪崩区域，光子不能被完全吸收，并且相当多的光子进入I区域I区非常宽，可以充分吸收光子，提高光电转换效率。

我们称区域1中光子吸收产生的电子-空穴对为初级电子-空穴对在电场的作用下，初级光生电子从I区漂移到雪崩区，在雪崩区产生雪崩倍增。

而所有主空穴+被p层直接吸收雪崩区碰撞电离产生的电子-空穴对称为二次电子-空穴对。

可以看出，I区仍然用作吸收光信号的区域，并产生初级光生电子-空穴对。

此外，它还具有分离初级电子+和空穴的功能。

初级电子通过碰撞电离在氮磷区域形成更多的电子空穴对，从而实现初级光电流的放大。

APD的结构和电场分布图6-1中的碰撞电离产生的雪崩倍增过程本质上是统计的，即一个复杂的随机过程。

每个初级光生电子-空穴对在哪里产生，碰撞电离在哪里发生，总共有多少个次级电子-空穴对碰撞都是随机的。

因此，与PIN 光电二极管相比，APD具有更复杂的特性。

APD的雪崩倍增因子m定义为m = IP/IPo，其中IP为APD的平均输出电流；IP0是平均初级光生电流从定义中可以看出，倍增因子是APD的当前增益因子由于雪崩倍增过程是随机过程，倍增因子是高于平均值的随机波动，雪崩倍增因子m 的定义应该理解为统计平均倍增因子m随反向偏置的增加而增加，随w的增加而呈指数增加APD的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声、热噪声和附加乘法噪声。

乘法噪声是APD中的主要噪声倍增噪声的产生主要与两个过程有关，即由光子吸收产生的初级电子-空穴对的随机性和在增益区产生的次级电子-空穴对的随机性这两个过程不能被精确地测量，所以APD乘法因子只能是一个统计平均的概念，表示为一个复杂的随机函数由于APD具有电流增益，因此APD的响度远远高于PIN的响应度，R0 =(IP/P)=(ηq/HF)量子效率仅与初级光生载流子的数量有关，不涉及乘法，因此量子效率值始终小于1APD的线性工作范围不如PIN宽，适合检测微弱光信号。

当光功率达到几个uw以上时，输出电流和入射光功率之间的线性关系变坏，并且可以实现的最大倍增增益也降低，即出现饱和现象APD的这种非线性转换的原因类似于引脚，主要是因为器件上的偏置电压不能保持恒定。

随着的偏置电压降低，雪崩区变窄，倍增因子降低。

这种效果比个人识别码的效果更明显它会压缩数字信号的脉冲幅度或使模拟信号的波形失真，因此应避免。

APD在低偏压下没有倍增效应当偏置电压上升时，产生倍增效应，并且输出信号电流增加当反向偏置电压接近某一电压VB时，电流倍增最大，此时APD称为击穿，电压VB称为击穿电压。

如果反向偏置电压进一步增加，雪崩击穿电流使器件对光生载流子越来越不敏感。

因此，APD的偏置电压接近击穿电压，通常在几十伏到几百伏的范围内应该注意的是，击穿电压不是APD的击穿电压，在电压被去除后，APD仍然可以正常工作。

APD暗电流分为原生暗电流和倍增暗电流，并随着倍增因子的增加而增加。

此外，还有未倍增的漏电流。

APD的响应速度主要取决于载流子完成倍增过程所需的时间、载流子穿过耗尽层所需的渡越时间、二极管结电容和负载电阻的RC时间常数等。

然而，运输时间的影响相对较大，通过改进结构设计，剩余的因素可以减少到非常少。

5、实验准备1、实验前请仔细阅读光电检测综合实验仪的说明书，并找出实验箱各部分的功能和拨码开关的意义；2，当电压表和电流表显示为“1 _”时，表示超出测量范围，应更换为适当的测量范围；3.连接前，确保电源已关闭4。

在实验过程中，请不要同时打开两个或多个光源开关，这将导致实验中测试的数据不准确。

6，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图6-2(1)组装光路组件，将照度计显示头与光路组件的照度计探头的正负输出电极连接(红色为正电极，黑色为负电极)，将光源调制单元J4与光源接口连接(2)“光源驱动单元”的三掷开关BM2设定为“静态特性”，设定开关S1、S2、S3、S4、S5、S6和S7全部设定(3)将“照度调节”调至最小，连接照度计，将DC电源调至最小，打开照度计。

此时，照度计的读数应为0(4)根据图6-2所示电路图，电源1选用DC电源，负载R1选用RL6 = 1kΩ，电流表选用200uA。

(5)打开电源开关，慢慢调节DC电源电位计，直到微安表显示读数。

记录此时电压表u和电流表的读数I.I，即在u偏压下APD光电二极管的暗电流。

(注意:测试暗电流时，光电器件应置于黑暗环境中30分钟以上，否则在测试过程中电压表需要一段时间才能稳定)。

(6)实验完成后，将DC电源调整到最小值，关闭电源，并移除所有连接2，APD光电二极管光电流测试(1)组装光路组件，将照度计显示头与光路组件的照度计探头输出的正负电极连接(红色为正电极，黑色为负电极)，并使用排练数据线将光源调制单元J4与光路组件的光源接口连接(2)将“光源驱动单元”的三掷开关BM2设置为“静态特性”，并将设置开关S1设置为“S2、S3、S4、S5、S6、S7”(3)根据图6-2所示的电路图，选择DC电源作为电源1，选择负载RL作为RL6=1K欧姆，选择电流表作为200uA。

(4)打开电源，缓慢调节照度调节电位计，直到照度达到300lx(大约为环境照度)，缓慢调节DC电源电位计，直到微安计显示读数有很大变化。

记录此时电压表u和电流表的读数I.I，即在u偏压下APD 光电二极管的光电流。

(5)实验完成后，将照度调至最低，将DC功率调至最低，关闭电源并拆除所有连接3，APD光电二极管伏安特性(1)组装光路组件，将光度计的指示器头与光路组件的光度计探头输出的正负电极连接(红色为正电极，黑色为负电极)，并使用排练数据线将光源调制单元J4与光路组件的光源接口连接(2)“光源驱动单元”三掷开关BM2设置为“静态”，设置开关S1已设置，S2、S3、S4、S5、S6和S7均已设置(3)根据图6-2所示的电路图，DC电源选择电源1，负载R1选择RL6=1K欧姆(3)打开电源，顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为200Lx，保持照度不变，当反向偏置电压为0V、50V、100V、120V、130V、140V、150V、160V、170V、180V时，调节电源电压电位器，使电流表读数，填写下表，关闭电源(注意:在测试过程中，电位计应缓慢调整。

当反向偏置电压高于雪崩电压时，光生电流将迅速增加，电流表的读数将增加N个数量级。

当APD工作在雪崩电压以上时，PN结上的偏置电压将很容易波动，影响增益的稳定性。

因此，产生的光电流是不稳定的，属于正常现象。

记录结果时，只需取一个数量级的值)(特殊说明:在实验过程中，请勿长时间在雪崩电压以上操作APD光电二极管，以免烧毁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。

)偏置(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，制作了200×照明下APD光电二极管的伏安特性曲线。

(注意:由于APD雪崩光电二极管的个体差异，不同APD光电二极管的雪崩电压相差~ ~50V，测试数据也相差很大。

这是正常现象。

APD光电二极管雪崩电压测试偏置电压(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的伏安特性测试方法，重复实验3的实验步骤，分别测量1lx处的光强。

当照度为10lx和50lx时，在反向偏置电压为0V、50V、100V、120V、130V、140V、150V、160V、170V和180V时填写电流表读数，并关闭电源(2)根据上述实验结果，在同一坐标轴下制作了100Lx、300lx和500lx照度下的APD光电二极管伏安特性曲线，并对其进行了分析，找出了光电二极管的雪崩电压。

5.APD光电二极管照度实验装置原理框图如图6-2所示(1)组装光路组件，将照度计的指示器头与光路组件的照度计探头输出的正负电极连接(红色为正电极，黑色为负电极)，并使用排练数据线将光源调制单元J4与光路组件的光源接口连接(2)“光源驱动单元”三掷开关BM2设置为“静态”，设置开关S1已设置，S2、S3、S4、S5、S6和S7均已设置(3)根据图6-2所示的电路图，DC电源选择电源1，负载R1选择RL6=1K欧姆(4)逆时针调节“照明调节”旋钮至最小位置打开电源并调节DC功率电位计，直到电压表的显示值略高于实验4中测试的雪崩电压。

保持电压不变，顺时针调节旋钮增加照度值，分别记录不同照度下相应的光生电流值，并填写下表如果电流表或照度计显示为“1 _”，表示超出范围，则应将其更改为适当的范围并重新测试。