《光电子技术实验》讲义

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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