光电子技术实验讲义
实验六、APD特性参数的测量
一、实验目的
1、加深对雪崩光电二极管工作原理的理解。
2、掌撑雪崩光电二极管暗电流、光电流的测量方法。
3、理解雪崩光电二极管光照特性曲线，并掌握其光照特性测量方法。
二、实验内容
1、测试APD的暗电流、光电流及光电特性。
三、实验仪器
1、APD光电二极管实验箱
一台
四、实验原理
1、雪崩光电二极管(APD)的结构
--- 雪崩光电二极管(APD)的结构与PIN—PD不同表现在增加了一个附加层，以实现碰撞电离产生二次电子—空穴对，在反向时夹在I 层和N层间的P层中存在高电场，该层称为倍增区或增益区（雪崩区）,耗尽层仍为I层，起产生一次电子—空穴对的作用。 --- Si-APD最典型的结构是拉通型RAPD如图1所示，有四层结构：高掺杂的N+型半导体，为接触层；P型半导体，为倍增层（或称雪崩区）；轻掺杂半导体π层，为漂移区（光吸收区）；高掺杂的P+型半导体，为接触层。
图1 RAPD的结构 2、雪崩光电二极管(APD)的工作原理 -----SAM-APD管有四层结构：高掺杂的N+型半导体，为接触层；P型半导体，为倍增层（或称雪崩区）；轻掺杂半导体I层，为漂移区（光吸收区）；高掺杂的P+型半导体，为接触层。 -- - 当外加的反向偏压(约100V—150V)比PIN情况下高得多时，这个电压几乎都降到PN结上。特别是在高阻的PN结附近，电场强度可高达105V/m，已经高出碰撞电离的电场。SAM-APD管在外加的反向偏压(约50V—150V)下的场分布如图1-1所示。
--- 此时若光从P+区照射，则和PIN一样，大部分光子将在较厚的I层被吸收，因而产生电子、空穴对。如图2所示。
雪崩光电二极管具有光生伏特效应，当有入射光作用时，光子的能量大于或等于带隙（
hf?Eg），在耗尽层区、n区和P区都会发生受激吸收，即价带的电子吸收光子的能量
跃迁到导带形成光生电子--空穴对。若电子--空穴对在耗尽层内，由于内部电场的作用，电
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子向N区运动，空穴向P区运动，形成漂移电流。若电子--空穴对在耗尽层两侧没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场的作用下，形成与漂移电流相同方向的电流，称为扩散电流。漂移电流和扩散电流的总和即为光生电流。若外电路开路，则光生的电子和空穴分别在N区和P区积累，形成电动势，这就是光生伏特效应。若外电路闭合，N区过剩的电子通过外电路流向P区，同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之变化，从而将光信号转换成电信号。
图2 光子在I层被吸收产生电子、空穴对
这里，光生电流信号的大小与入射光子的数量有关系。另一方面，我们还知道了雪崩光电二极管工作时，一般加反向偏压，加反向电压后可以提高雪崩光电二极管的响应度，改变固有的电子动动速度。因此，理论上讲偏压的大小也能够影响光生电流的大小。 3、雪崩光电二极管光照特性
雪崩光电二极管在一定负偏压下，当入射光的强度发生变化时，通过雪崩光电二极管的电流随之变化，在较小负载电阻下，光电流和照度成线性关系。如图3-1所示。这就是雪崩光电二极管的光照特性。
图3 光照特性曲线
五、实验步骤
1、暗电流测量
（1）用航空插座连接线与APD原理实验箱上的“APD输入”接口相连，使用同轴电缆线进行连接LED1与光源；将高压调节、光照度调节电位器逆时针调节到最小为止。 RC
0-200V可调
VA图4 APD光电二极管测量原理图
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（2）按光路结构图进行组装好光路，
（3）将“静态特性测试/时间特性测试”开关（以下简称“静态/时间”开关）打到“静态特性测试”档；
（4）将高压开关打到开，缓慢调节高压调节旋钮至电压表显示为155V，记下此时电流表的显示值，该值即为APD光电二极管在155V时的暗电流；（在调节偏压时请慢慢进行调节，调节时注意电压表上显示的电压值，请不要调节超过160V，超过160V可能会造成APD器件的损坏）
（5）将高压调节旋钮逆时针调节到零 2、光电流测量
（1）将“静态/时间”开关打到“静态特性测试”档；将光源与照度计探头旋接，并与实验箱上的“LED2”相连。
（2）将高压开关打至开，缓慢调节高压调节旋钮，将高压调节至150V。光照度调节为0Lx,如照度不为零请调节照度表右边的调零电压器将其调至为零。
（3）缓慢调节光照度电位器，分别记下照度在10Lx,20Lx,30Lx,40Lx时的电流值。 缓慢调节高压调节旋钮，分别记下电压为120V,125V，130V，135V，140V，145V和150V时的电流值
电 偏 压 照 流 度 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 125 130 135 140 145 150
（4）将高压调节旋钮逆时针调节到零；光照度调节旋钮逆时针调节到零； 3、光照特性测量
（1）将实验箱上的“静态/时间”开关打到“静态特性测试”档； （2）调节光照度调节旋钮使照度表显示为1lx。
（3）缓慢增加电压至150V，记下此时的电流值；再将电压逆时针调节到零。 （4）重复步骤（2），依次记下光照度为1lx，2lx，3lx，4lx，5lx,6Lx,7Lx,8Lx,9Lx,10LX,11Lx,12Lx,13lx,14Lx,15Lx时的电流值。 照度值(Lx) 电流 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 六、思考题
1、试说明雪崩光电二极管的暗电流存在的原因。
2、正常工作时，为什么要给雪崩光电二极管加反向偏压。
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