APD光电二极管综合实验.doc

APD光电二极管实验仪实验指导书
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 -

- 2 -

APD光电二极管实验仪实验指导书
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300MHz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

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=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>(IP/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。
(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RL11=100K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I.I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。
（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。）

(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。

偏压（V）
0
50
100
120
130
140
150
160
170
180
光电流I（μA）

（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0～50V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
（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100Lx,300lx和500lx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。

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）

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。
（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1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,顺时针调节光照度，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。

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信号，缓慢调节直流电源1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。
7、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，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RL11=100K欧。
（4）打开电源,缓慢调节直流电源1,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（5），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
0.65
0.61
0.56
0.42
0.25
0.06
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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