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文檔簡介

1、實驗五 APD光電二極管特性測試一、 實驗內(nèi)容1、學(xué)習(xí)掌握APD光電二極管的工作原理2、學(xué)習(xí)掌握APD光電二極管的基本特性3、掌握APD光電二極管特性測試方法4、了解APD光電二極管的基本應(yīng)用二、 實驗?zāi)康?、APD光電二極管暗電流測試實驗2、APD光電二極管光電流測試實驗3、APD光電二極管伏安特性測試實驗4、APD光電二極管雪崩電壓測試實驗5、APD光電二極管光電特性測試實驗6、APD光電二極管時間響應(yīng)特性測試實驗7、APD光電二極管光譜特性測試實驗三、 實驗器材1、光電探測綜合實驗儀 1個2、光通路組件 1套3、光照度計 1臺4、光敏電阻及封裝組件 1套5、2#迭插頭對(紅色,50cm)

2、 10根6、2#迭插頭對(黑色,50cm) 10根7、三相電源線 1根8、實驗指導(dǎo)書 1本9、示波器 1臺四、 實驗原理雪崩光電二極管APDAvalanche Photodiode是具有內(nèi)部增益的光檢測器,它可以用來檢測微弱光信號并獲得較大的輸出光電流。雪崩光電二極管能夠獲得內(nèi)部增益是基于碰撞電離效應(yīng)。當(dāng)PN結(jié)上加高的反偏壓時,耗盡層的電場很強,光生載流子經(jīng)過時就會被電場加速,當(dāng)電場強度足夠高(約3x105Vcm)時,光生載流子獲得很大的動能,它們在高速運動中與半導(dǎo)體晶格碰撞,使晶體中的原子電離,從而激發(fā)出新的電子一空穴對,這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。碰撞電離產(chǎn)生的電子一空穴對在強電場作用下同樣又被

3、加速,重復(fù)前一過程,這樣多次碰撞電離的結(jié)果使載流子迅速增加,電流也迅速增大,這個物理過程稱為雪崩倍增效應(yīng)。圖6-1為APD的一種結(jié)構(gòu)。外側(cè)與電極接觸的P區(qū)和N區(qū)都進行了重摻雜,分別以P+和N+表示;在I區(qū)和N+區(qū)中間是寬度較窄的另一層P區(qū)。APD工作在大的反偏壓下,當(dāng)反偏壓加大到某一值后,耗盡層從N+-P結(jié)區(qū)一直擴展(或稱拉通)到P+區(qū),包括了中間的P層區(qū)和I區(qū)。圖4的結(jié)構(gòu)為拉通型APD的結(jié)構(gòu)。從圖中可以看到,電場在I區(qū)分布較弱,而在N+-P區(qū)分布較強,碰撞電離區(qū)即雪崩區(qū)就在N+-P區(qū)。盡管I區(qū)的電場比N+-P區(qū)低得多,但也足夠高(可達2x104Vcm),可以保證載流子達到飽和漂移速度。當(dāng)入射

4、光照射時,由于雪崩區(qū)較窄,不能充分吸收光子,相當(dāng)多的光子進入了I區(qū)。I區(qū)很寬,可以充分吸收光子,提高光電轉(zhuǎn)換效率。我們把I區(qū)吸收光子產(chǎn)生的電子-空穴對稱為初級電子-空穴對。在電場的作用下,初級光生電子從I區(qū)向雪崩區(qū)漂移,并在雪崩區(qū)產(chǎn)生雪崩倍增;而所有的初級空穴則直接被P+層吸收。在雪崩區(qū)通過碰撞電離產(chǎn)生的電子-空穴對稱為二次電子-空穴對??梢?,I區(qū)仍然作為吸收光信號的區(qū)域并產(chǎn)生初級光生電子-空穴對,此外它還具有分離初級電子和空穴的作用,初級電子在N+-P區(qū)通過碰撞電離形成更多的電子-空穴對,從而實現(xiàn)對初級光電流的放大作用。 圖6-1 APD的結(jié)構(gòu)及電場分布 碰撞電離產(chǎn)生的雪崩倍增過程本質(zhì)上是統(tǒng)

5、計性的,即為一個復(fù)雜的隨機過程。每一個初級光生電子-空穴對在什么位置產(chǎn)生,在什么位置發(fā)生碰撞電離,總共碰撞出多少二次電子一空穴對,這些都是隨機的。因此與PIN光電二極管相比,APD的特性較為復(fù)雜。APD的雪崩倍增因子M定義為M=IP/IP0式中:IP 是APD的輸出平均電流;IP0是平均初級光生電流。從定義可見,倍增因子是APD的電流增益系數(shù)。由于雪崩倍增過程是一個隨機過程,因而倍增因子是在一個平均之上隨機起伏的量,雪崩倍增因子M的定義應(yīng)理解為統(tǒng)計平均倍增因子。M隨反偏壓的增大而增大,隨W的增加按指數(shù)增長。APD的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲、熱噪聲和附加的倍增噪聲。倍增噪聲是AP

6、D中的主要噪聲。倍增噪聲的產(chǎn)生主要與兩個過程有關(guān),即光子被吸收產(chǎn)生初級電子-空穴對的隨機性和在增益區(qū)產(chǎn)生二次電子-空穴對的隨機性。這兩個過程都是不能準確測定的,因此APD倍增因子只能是一個統(tǒng)計平均的概念,表示為<M>,它是一個復(fù)雜的隨機函數(shù)。 由于APD具有電流增益,所以APD的響度比PIN的響應(yīng)度大大提高,有R0=<M>(IP/P)=<M>(qhf)量子效率只與初級光生載流子數(shù)目有關(guān),不涉及倍增問題,故量子效率值總是小于1。APD的線性工作范圍沒有PIN寬,它適宜于檢測微弱光信號。當(dāng)光功率達到幾uw以上時,輸出電流和入射光功率之間的線性關(guān)系變壞,能夠達到的

7、最大倍增增益也降低了,即產(chǎn)生了飽和現(xiàn)象。 、APD的這種非線性轉(zhuǎn)換的原因與PIN類似,主要是器件上的偏壓不能保持恒定。由于偏壓降低,使得雪崩區(qū)變窄,倍增因子隨之下降,這種影響比PIN的情況更明顯。它使得數(shù)字信號脈沖幅度產(chǎn)生壓縮,或使模擬信號產(chǎn)生波形畸變,因而應(yīng)設(shè)法避免。在低偏壓下APD沒有倍增效應(yīng)。當(dāng)偏壓升高時,產(chǎn)生倍增效應(yīng),輸出信號電流增大。當(dāng)反偏壓接近某一電壓VB時,電流倍增最大,此時稱APD被擊穿,電壓VB稱作擊穿電壓。如果反偏壓進一步提高,則雪崩擊穿電流使器件對光生載流子變的越來越不敏感。因此APD的偏置電壓接近擊穿電壓,一般在數(shù)十伏到數(shù)百伏。須注意的是擊穿電壓并非是APD的破壞電壓,

8、撤去該電壓后APD仍能正常工作。APD的暗電流有初級暗電流和倍增后的暗電流之分,它隨倍增因子的增加而增加;此外還有漏電流,漏電流沒有經(jīng)過倍增。APD的響應(yīng)速度主要取決于載流子完成倍增過程所需要的時間,載流子越過耗盡層所需的渡越時間以及二極管結(jié)電容和負載電阻的RC時間常數(shù)等因素。而渡越時間的影響相對比較大,其余因素可通過改進結(jié)構(gòu)設(shè)計使影響減至很小。五、 實驗準備1、實驗之前,請仔細閱讀光電探測綜合實驗儀說明,弄清實驗箱各部分的功能及撥位開關(guān)的意義;2、當(dāng)電壓表和電流表顯示為“1”是說明超過量程,應(yīng)更換為合適量程;3、連線之前保證電源關(guān)閉。4、實驗過程中,請勿同時撥開兩種或兩種以上的光源開關(guān),這樣

9、會造成實驗所測試的數(shù)據(jù)不準確。 六、 實驗過程與現(xiàn)象1、APD光電二極管暗電流測試實驗裝置原理框圖如圖6-2所示 圖6-2(1)組裝好光通路組件,將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連(紅為正極,黑為負極),將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。(2)“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)特性”,將撥位開關(guān)S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7均撥下。(3)“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小,連接好光照度計,直流電源調(diào)至最小,打開照度計,此時照度計的讀數(shù)應(yīng)為0。(4)按圖6-2所示的電路連接電路圖,直流電源選擇電源1,負載RL選擇RL6=1K歐,電流表選擇200

10、uA檔.(5)打開電源開關(guān),緩慢調(diào)節(jié)直流電源電位器,直到微安表顯示有讀數(shù)為止,記錄此時電壓表U和電流表的讀數(shù)I.I即為APD光電二極管在U偏壓下的暗電流.(注:在測試暗電流時,應(yīng)先將光電器件置于黑暗環(huán)境中30分鐘以上,否則測試過程中電壓表需一段時間后才可穩(wěn)定)(6實驗完畢,直流電源調(diào)至最小,關(guān)閉電源,拆除所有連線。實驗結(jié)果:U= V I= UA2、APD光電二極管光電流測試(1)組裝好光通路組件,將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連(紅為正極,黑為負極),將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。(2)“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)特性”,將撥位

11、開關(guān)S1撥上,S2,S3,S4,S5,S6,S7均撥下。(3)按圖6-2所示的電路連接電路圖,直流電源選擇電源1,負載RL選擇RL6=1K歐,電流表選擇200uA檔.(4)打開電源,緩慢調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)電位器,直到光照為300lx(約為環(huán)境光照),緩慢調(diào)節(jié)直流電源電位器,直到微安表顯示有讀數(shù)有較大變化為止,記錄此時電壓表U和電流表的讀數(shù)I.I即為APD光電二極管在U偏壓下的光電流.(5)實驗完畢,將光照度調(diào)至最小,直流電源調(diào)至最小,關(guān)閉電源,拆除所有連線。實驗結(jié)果:U= V I= UA3、APD光電二極管伏安特性(1)組裝好光通路組件,將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連(紅

12、為正極,黑為負極),將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。(2)“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”,將撥位開關(guān)S1撥上,S2,S3,S4,S5,S6,S7均撥下。(3)按圖6-2所示的電路連接電路圖,直流電源選擇電源1,負載RL選擇RL6=1K歐。(3)打開電源順時針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕,使照度值為200Lx,保持光照度不變,調(diào)節(jié)電源電壓電位器,使反向偏壓為0V、50V,100V、120V、130V、140V、150V、160V、170V、180V時的電流表讀數(shù),填入下表,關(guān)閉電源。(注:在測試過程中應(yīng)緩慢調(diào)節(jié)電位器,待電壓表和電流表穩(wěn)定后方可讀數(shù)) 偏壓(V)050

13、100120130140150160170180光生電流I(A)(6)根據(jù)上述實驗結(jié)果,作出200lx光照度下的APD光電二極管伏安特性曲線.(注:由于APD雪崩光電二極管的個性差異, 不同的APD光電二極管的雪崩電壓有50V差異,測試的數(shù)據(jù)也有很大差異,屬正?,F(xiàn)象) 4、APD光電二極管雪崩電壓測試(1)根據(jù)實驗3伏安特性的測試方法,重復(fù)實驗3的實驗步驟, 分別測出光照度在100lx,300lx,500lx光照度時,反向偏壓為0V、50V,100V、120V、130V、140V、150V、160V、170V、180V時的電流表讀數(shù),填入下表,關(guān)閉電源。偏壓(V)050100120130140

14、150160170180光生電流1(A)光生電流2(A)光生電流3(A)(2)根據(jù)上述實驗結(jié)果,在同一坐標軸下作出100Lx,300lx和500lx光照度下的APD光電二極管伏安特性曲線,并進行分析,找出光電二極管的雪崩電壓. 實驗數(shù)據(jù)分析:圖雪崩擊穿電壓大約在128V左右,且隨光生電流的增大而增大。5、APD光電二極管光照特性實驗裝置原理框圖如圖6-2所示。(1)組裝好光通路組件,將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連(紅為正極,黑為負極),將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。(2)“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”,將撥位開關(guān)S1撥上,S2

15、,S3,S4,S5,S6,S7均撥下。(3)按圖6-2所示的電路連接電路圖,直流電源選擇電源1,負載RL選擇RL6=1K歐。(4)將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置。打開電源,調(diào)節(jié)直流電源電位器,直到電壓表的顯示值略高于實驗4所測試的雪崩電壓即可,保持電壓不變,順時針調(diào)節(jié)該旋鈕,增大光照度值,分別記下不同照度下對應(yīng)的光生電流值,填入下表。若電流表或照度計顯示為“1”時說明超出量程,應(yīng)改為合適的量程再測試。 光照度(Lx)0100300500700900光生電流(A) (5) 根據(jù)上面表中實驗數(shù)據(jù),在坐標軸中作出APD光電二極管的光照特性曲線,并進行分析. 實驗數(shù)據(jù)分析:光生電流隨著光照

16、度的增大而增大,而且這種增長到一定程度,影響程度會變小。(6)實驗完畢,將光照度調(diào)至最小,直流電源調(diào)至最小,關(guān)閉電源,拆除所有連線。 6、APD光電二極管時間響應(yīng)特性測試(1)組裝好光通路組件,將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連(紅為正極,黑為負極),將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。(2)“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“脈沖”,將撥位開關(guān)S1撥上,S2,S3,S4,S5,S6,S7均撥下。(3)按圖6-3所示的電路連接電路圖,直流電壓源選用電源2,負載RL選擇RL=1K歐.(4)示波器的測試點應(yīng)為A點,為了測試方便,可把示波器的測試點使用迭

17、插頭對引至信號測試區(qū)的TP1和TP2,TP1與直流電源的地相連。圖6-3(5)打開電源,白光對應(yīng)的發(fā)光二極管亮,其余的發(fā)光二極管不亮。用示波器的第一通道與接TP和GND(即為輸入的脈沖光信號),用示波器的第二通道接TP2。(6)觀察示波器兩個通道信號,緩慢調(diào)節(jié)直流電源電位器直到示波器上觀察到信號清晰為止,并作出實驗記錄(描繪出兩個通道波形)。(7)緩慢調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)節(jié),增大輸入脈沖的脈沖信號的寬度,觀察示波器兩個通道信號的變化,并作出實驗記錄(描繪出兩個通道的波形)并進行分析。實驗波形如下圖: 實驗數(shù)據(jù):如圖,隨著脈沖寬度增大,占空比改變。(8)實驗完畢,將光照度調(diào)至最小,直流電源調(diào)至最小,關(guān)

18、閉電源,拆除所有連線。 6、APD光電二極管光譜特性測試當(dāng)不同波長的入射光照到光電二極管上,光電二極管就有不同的靈敏度。本實驗儀采用高亮度LED(白、紅、橙、黃、綠、藍、紫)作為光源,產(chǎn)生400630nm離散光譜。光譜響應(yīng)度是光電探測器對單色入射輻射的響應(yīng)能力。定義為在波長的單位入射功率的照射下,光電探測器輸出的信號電壓或電流信號。即為或式中,為波長為時的入射光功率;為光電探測器在入射光功率作用下的輸出信號電壓;則為輸出用電流表示的輸出信號電流。本實驗所采用的方法是基準探測器法,在相同光功率的輻射下,則有 式中,為基準探測器顯示的電壓值,K為基準電壓的放大倍數(shù),為基準探測器的響應(yīng)度。取在測試過程中,取相同值,則實驗所測測試的響應(yīng)度大小由的大小確定.下圖為基準探測器的光譜響應(yīng)曲線。 圖2-6 基準探測器的光譜響應(yīng)曲線 (1)組裝好光通路組件,將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連(紅為正極,黑為負極

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