APD光电二极管特性测试实验-

APD光电二极管特性测试实验

首先，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光电二极管特性的测试方法4.了解APD光电二极管的基本应用

第二，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，光电检测综合实验仪器2，光路组件一套3，光度计4，光敏电阻和包装组件一套5、2#堆叠插头对（红色，50cm）10件6，2 #堆叠插头对（黑色，50厘米）10个. 7，三相电源线1条. 8，实验指导书1册9，示波器1

四个实验原理

雪崩光电二极管APD是一种具有内部增益的光学检测器. 可用于检测微弱的光信号并获得更大的输出光电流.

雪崩光电二极管的内部增益基于碰撞电离效应. 在PN结上施加高反向偏置时，

5

耗尽层的电场很强，光生载流子通过时会被电场加速. 当电场强度足够高（大约3x10V / cm）时，光生载流子会获得较大的动能，并且它们会高速移动. 它与半导体晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发新的电子孔对. 这种现象称为碰撞电离. 在强电场的作用下，由碰撞电离产生的电子-空穴对也被加速，并且重复先前的过程. 由于多次碰撞电离，载流子迅速增加，电流也迅速增加. 这个物理过程称为雪崩倍增. 效果.

++

图6-1显示了APD的结构. 与外部电极接触的P和N区域重掺杂，分别为P和N

+

p表示在I和N区域的中间是宽度较窄的P区域的另一层. 施加反向偏置后，APD在较大的反向偏置下工作

++

达到一定值后，耗尽层从N-P结区延伸（或穿通）到P区，包括中间P层区和I

+

地区. 图1的结构. 图4是穿通APD的结构. 从图中可以看出，电场在I区中分布较弱，而在N-P区中分布

++

The

p区域分布很强，碰撞电离区域或雪崩区域位于N-P区域. 虽然I区的电场远低于N-P区的电场，但足够了

4

足够高（高达2x10V / cm）以确保载流子达到饱和漂移速度. 当入射光被照射时，由于雪崩带

狭窄，无法完全吸收光子，相当多的光子进入了I区. I区非常宽，可以充分吸收光子并提高光电转换效率. 我们将由I区中的光子吸收产生的电子-空穴对称为主要电子-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，雪崩倍增发生在雪崩区. 所有的主要孔都是

+

直接被P层吸收. 在雪崩区域中通过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区域仍然用作吸收光信号并产生初级光生电子-空穴对的区域. 此外，它还具有一次电子的分离

+

在空穴的作用下，一次电子通过碰撞电离在N-P区形成更多的电子-空穴对，从而实现了一次光电流的放大.

图6-1 APD的结构和电场分布

由碰撞电离引起的雪崩倍增过程本质上是统计的，即复杂的随机过程. 在产生每个主要的光生电子-空穴对和发生碰撞电离的地方，总共有多少个次级电子-空穴对碰撞是随机的. 因此，APD的特性要比PIN光电二极管复杂.

APD的雪崩倍增因子M定义为

M = IP / IP0

其中: IP是APD的平均输出电流； IP0是平均一次光生电流. 从定义可以看出，乘法因子是APD的当前增益系数. 由于雪崩乘法过程是随机过程，因此乘法因子是高于平均值的随机波动. 雪崩倍增因子M的定义应理解为统计平均倍增因子. M随着反向偏压的增加而增加，并且随着W的增加而呈指数增加.

APD噪声包括量子噪声，暗电流噪声，泄漏电流噪声，热噪声和其他乘性噪声. 乘积噪声是APD中的主要噪声.

倍增噪声的产生主要与两个过程有关，即通过吸收光子产生的一次电子-空穴对的随机性和在增益区产生的二次电子-空穴对的随机性. 无法准确确定这两个过程，因此APD乘数只能是一个统计平均概念，表示为一个复杂的随机函数.

因为APD具有电流增益，所以APD的响度远高于PIN，是

R0 =（IP / P）=（ηq／ hf）

量子效率仅与初级光生载流子的数量有关，并且不涉及乘法问题，因此量子效率值始终小于1. APD的线性工作范围不如PIN宽，并且它适用于检测微弱的光信号. 当光功率达到几微瓦以上时，输出电流与入射光功率之间的线性关系变得更差，并且可以实现的最大倍增增益也降低，即发生饱和现象. ，

这种APD非线性转换的原因与PIN相似，主要是因为器件上的偏置电压无法保持恒定. 由于偏见

较低的压力使雪崩区域变窄，并且乘积因子相应降低. 这种效果比PIN的情况更为明显. 它会造成数字信号脉冲幅度压缩或模拟信号波形失真，因此应避免使用.

在低偏置下，APD没有乘数效应. 当偏置电压增加时，会产生倍增效应，并且输出信号电流会增加. 当反向偏置电压接近某个电压VB时，电流增加一倍. 此时，据说APD被击穿，并且电压VB被称为击穿电压. 如果进一步增加反向偏置电压，雪崩击穿电流将使该器件对光生载流子的灵敏度越来越低. 因此，APD的偏置电压接近击穿电压，通常为数十到数百伏. 需要说明的是，击穿电压不是APD的破坏电压，去掉电压后APD仍然可以正常工作.

APD的暗电流分为一次暗电流和乘法后的暗电流. 随着倍增因子的增加而增加；此外，存在泄漏电流，并且泄漏电流尚未成倍增加.

APD的响应速度主要取决于载波完成乘法过程所需的时间，载波穿过耗尽层所需的时间以及二极管结电容和负载电阻的RC时间常数. 渡越时间的影响比较大，通过改善结构设计可以将剩余因素减少到很小的效果.

五个实验准备

1. 实验前，请仔细阅读光电检测综合实验仪器的说明，以了解实验箱各部分的功能以及拨码开关的意义；

2. 当电压表和电流表显示为“ 1_”时，表示超出了量程，应将其替换为合适的量程； 3.在连接之前，请确保电源已关闭.

4. 在实验过程中，请勿同时打开两个或多个光源开关，因为这会导致测试数据不准确.

六. 实验步骤

1. APD光电二极管暗电流测试实验装置的框图如图6-2所示.

图6-2

（1）组装光路组件，将照度计的显示头连接到光路组件的照度计输出的正极和负极（红色为正极，黑色为负极），并连接光光源调制单元J4到光路组件光源接口通过排练数据电缆连接. （2）将“光源驱动单元”的三掷开关BM2转到“静态特性”，并设置拨码开关S1，S2，S3，S4，S5，S6和S7. （3）将“照度调整”调整到最小，连接照度计，将直流电源调整到最小，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欧姆，电流表选择200uA. （5）打开电源开关，缓慢调节直流电源电位器，直到微安表显示读数，记录电压表U的读数II，此时电流表为U偏压下APD光电二极管的暗电流.

（注意: 在测试暗电流时，光电装置应在黑暗环境中放置30分钟以上，否则电压表在测试过程中需要一些时间才能稳定下来）

（6）实验完成后，将直流电源调至最小，关闭电源，并断开所有连接.

2. APD光电二极管光电流测试（1）组装光路组件，将照度计的显示头连接至光路组件照度计探头输出（红色为正极，黑色为负极），连接光源调制单元J4使用演练数据电缆连接到光路组件的光源接口. （2）将“光源驱动单元”的三掷开关BM2转到“静态特性”，然后将拨码开关S1，S2，S3，S4，S5，S6和S7设置为

.

（3）根据图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RL6 = 1K欧姆，电流表选择200uA文件.

（4）打开电源，缓慢调节光强度以调节电位器，直到光达到300lx（大约环境光）为止，然后缓慢调节DC电源电位器，直到微安表的读数变化很大，记录下来这次电压表U和电流表的读数II是U偏压下APD光电二极管的光电流.

（5）实验完成后，将照度调至最小，将直流电源调至最小，关闭电源，并断开所有连接.

3. APD光电二极管的伏安特性

（1）组装光路组件，将照度计的显示头连接到光路组件的照度计输出的正极和负极（红色为正极，黑色为负极），并连接光光源调制单元J4到光路组件光源接口通过排练数据电缆连接.

（2）将“光源驱动单元”的三掷开关BM2转到“静态”，然后将拨盘开关S1，S2，S3，S4，S5光敏二极管特性实验，S6，S7都调低.

（3）根据图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RL6 = 1K Europe. （3）开启电源，顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为200Lx，保持照度不变，调节电源电压电位器光敏二极管特性实验，使反向偏置电压为0V，50V，100V，120V，130V ，140V，150V，160V，170V，180V电流表读数，填写下表，关闭电源.

（注意: 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，光生电流将迅速增加，电流表的读数将增加N个数量级，由于APD高于雪崩电压，在这种条件下工作时，PN结上的偏置电压可能会发生波动，从而影响增益的稳定性，因此产生的光电流不稳定，这是正常现象. 记录结果时，取一个数量级. ）

（特别说明: 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. 工业上，APD光电二极管的工作电压略低于雪崩电压） ）<

偏置电压（V）0 50100120130140140150160170180

光电流I（μA）（6）根据以上实验结果，绘制200lx光照下APD光电二极管的伏安特性曲线.

（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相差约50V，测试数据也相差很大，属正常）4. APD光电二极管雪崩电压测试

偏压（V）0 50100120130140150160170180光生电流1（μA）光生电流2（μA）光生电流3（μA）（1）根据测试方法实验3伏安特性的重复实验3实验步骤分别测量照度为1lx，10lx，50lx，反向偏置电压为0V，50V，100V，120V，130V，140V，150V时的电流表读数，160V，170V，180V. 在下表中，关闭电源.

（2）根据以上实验结果，在100Lx，300lx和500lx光照下，在相同坐标轴下绘制APD光电二极管的伏安特性曲线，并进行分析以求出光电二极管的雪崩电压. 5. APD光电二极管的照明特性

实验装置的框图如图6-2所示.

（1）组装光路组件，将照度计的显示头连接到光路组件的照度计输出的正极和负极（红色为正极，黑色为负极），并连接光光源调制单元J4到光路组件光源接口通过排练数据电缆连接.

（2）将“光源驱动单元”的三掷开关BM2转到“静态”，然后将拨盘开关S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7都调低.

（3）根据图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RL6 = 1K Europe. （4）逆时针将“照度调节”旋钮调节到最小位置. 打开电源并调节直流电源电位器，直到电压表的显示值稍高于实验4中测试的雪崩电压为止. 保持电压不变，顺时针调节旋钮，增加照明量，并在不同的照度分别对应相应的光电电流值，填写下表. 如果电流表或照度计显示“ 1_”，则表示已超出测量范围，应将其更改为合适的测量范围，然后进行测试.

照度（Lx）光生电流（μA）0 100 300 500 700 900（5）根据上表中的实验数据，绘制APD光电二极管在坐标轴上的照度特性曲线并对其进行分析.

（6）实验完成后，将照度调至最小，将直流电源调至最小，关闭电源，并断开所有连接.

6. APD光电二极管的时间响应特性测试

（1）组装光路组件，将照度计的显示头连接到光路组件的照度计输出的正极和负极（红色为正极，黑色为负极），并连接光光源调制单元J4到光路组件光源接口通过排练数据电缆连接.

（2）将“光源驱动单元”的三掷开关BM2转到“脉冲”，然后将拨盘开关S1旋转，并且S2，S3，S4，S5，S6和S7都被旋转下来.

（3）根据图6-3所示的电路连接电路图，直流电压源选择电源1，负载RL选择RL = 1K欧姆. （4）示波器的测试点应为A点. 为方便测试，您可以使用堆叠插头将示波器的测试点连接到信号测试区域的TP1和TP2. TP1连接到直流电源的接地.

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