APD光电二极管特性测试实验
APD光电二极管特性(精)
APD光电二极管特性
教学环境
多媒体机房
教学
内容
1.APD光电二极管一般性能
2.倍增因子
3.过剩噪声因子
教学
目标
1．了解PIN光电二极管一般性能2．ຫໍສະໝຸດ 解倍增因子3．了解过剩噪声因子
重点
难点
1、掌握查看APD光电二极管的参数表，并根据参数表选型。
教学
方法
讲授、讨论、总结
教学
过程
讲授：
1.APD光电二极管一般性能
例举Si材料和InGaAs材料的雪崩光电二极管的参数表格，APD光电二极管的参数
包括光谱响应范围、峰值波长、灵敏度、量子效率、击穿电压、击穿电压温度系数、暗电流、截止波长、结电容、附加噪声指数和增益等。以及两者的特点和应用场合。
2.倍增因子
倍增因子是APD输出光电流和一次光生电流的比值，APD的响应度比PIN增加了g
倍。现有的APD的g值已达几十甚至上百，随反向偏压、波长和温度变化
3.过剩噪声因子
过剩噪声因子F是由于雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数。附加噪声指数与器件所用的材料和工艺相关，并例举了硅、锗和铟镓砷几种材料的附加噪声指数。
小结：
课堂总结
(整理)APD光电二极管综合实验.
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 -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300MH z的高速响应。
APD光电二极管的特性测试及应用研究1
[5]王庆有.光电传感器应用技术[M].北京:机械工业出版社,2007.10.
[6]其他：可网上搜索查找相关中文和外文文献。
3．进度安排
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
查阅文献资料，确定方案，写文献综述
2014.1.18-3.20
2
学习APD光电二极管的工作原理
2014.3.21-3.30
3
理解APD光电二极管的各项参数指标并测试
因此，拓宽硅基光电探测器件的探测波长范围及探测效率，不仅成为一个较为热点的研究领域，引起了各国科研工作者的兴趣，同时也成为光通信领域迫切需要克服的难题，是市场应用所需迫切解决的问题。最近几年人们尝试了各种方法来提高Si基APD的近红外探测效率，其中有增加Si基APD吸收层的厚度从而提高光子在Si中的吸收，然而随着APD体积的增加，不但提高了近红外处的量子效率，同样增加APD器件的暗电流和噪声，也提高了APD的响应时间，所以用这种方法提高APD近红外的敏感率并不是最好的方法。还有一种方法就是在APD器件表面设计一层防反射层，这层防反射层可以使入射光在APD器件的表面发生多次反射，从而增加了透入到器件内部的光子，也不会增加APD器件的体积，但是这种方法对工艺制作流程要求严格，成本较高，虽然能提高器件的整体效果但依然不能将1064nm处的光探测效率提高到理想的程度。
制约硅基APD在近红外方向特别是1064nm波段发展的原因有两个，第一，硅的禁带宽度是1.12eV，从而导致硅对1100nm处光的吸收截止。Si是间接带隙材料，在300K时硅的禁带宽度是1.12eV。因此硅的吸收截止波长是1100nm。从而导致由间接半导体材料制做的APD器件在截止波长附近吸收效率非常低。为了使硅基APD在1064nm处获得较高的量子效率，人们研发出使用其它半导体材料(锗、铟或者砷化镓)制作光电子器件，但是这些材料的光电子器件暗电流和噪声比较高，价格昂贵，而且与硅的晶格不匹配。或者改变硅基APD的结构设计，还可以使用飞秒激光微构造技术，来改变硅在近红外处的光吸收特性。第二，APD制造工艺过程中必须引入尽可能少的缺陷以减少暗电流，从而保证器件具有较高的信噪比。
实验2-2光电二极管光电特性测试
实验2-2 光电二极管光电特性测试实验目的1、了解光电二极管的工作原理和使用方法；2、掌握光电二极管的光照度特性及其测试方法。
实验内容1、暗电流测试；2、当光电二极管的偏置电压一定时，光电二极管的输出光电流与入射光的照度的关系测量。
实验仪器1、光电探测原理实验箱1台2、连接导线若干实验原理1、光电二极管结构原理光电二极管的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比有很多共同之处，它们都有一个PN结，因此均属于单向导电性的非线性元件。
但光电二极管作为一种光电器件，也有它特殊的地方。
例如，光电二极管管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照；光电二极管PN结势垒区很薄，光生载流子的产生主要在PN 结两边的扩散区，光电流主要来自扩散电流而不是漂移电流；又如，为了获得尽可能大的光电流，PN结面积比普通二极管要大的多，而且通常都以扩散层作为受光面，因此，受光面上的电极做的很小。
为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。
图2-2.1为光电二极管外形图（a）、结构简图（b）、符号（c）和等效电路图（d）。
光电二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图2-2.2，图中E为反向偏置电压），在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小（一般小于0.1微安），这个反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，称为光生载流子。
它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。
光的照度越大，光电流越大。
如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号。
因此光电二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态随着光电子技术的发展，光信号在探测灵敏度、光谱响应范围及频率特性等方面的要求越来越高，为此，近年来出现了许多性能优良的光伏探测器，如硅、锗光电二极管、PIN 光电二极管、雪崩光电二极管（APD）等。
光电二极管目前多采用硅或锗制成，但锗器件暗电流温度系数远大于硅器件，工艺也不如硅器件成熟，虽然它的响应波长大于硅器件，但实际应用尚不及后者广泛。
物理实验技术中的光电二极管特性测量与分析
物理实验技术中的光电二极管特性测量与分析光电二极管是一种能够将光能转化为电能的器件，广泛应用在光电传感器、光通信、光电测量和光谱分析等领域。
在物理实验技术中，测量和分析光电二极管的特性对于研究光电效应、了解器件性能以及优化实验设计都具有重要意义。
一、光电二极管原理和基本特性光电二极管的原理是基于光电效应，利用光照射在PN结上产生电子-空穴对，使得PN结两端产生电压。
其关键特性包括响应频率、光电流、暗电流、光电流增益等。
测量这些特性需要合适的实验装置和方法来获取准确的结果。
二、光电二极管特性的测量方法1. 频响特性测量频响特性测量是评估光电二极管对光信号变化的响应速度的重要方法。
常用的实验装置包括函数发生器、光源和示波器。
通过改变函数发生器输入的正弦光信号频率，测量光电二极管输出的电流或电压的变化，从而得到频响特性曲线。
这些曲线反映了光电二极管的截止频率、带宽和相移等信息。
2. 光电流和暗电流测量光电流和暗电流是衡量光电二极管敏感度的重要指标。
光电流指的是光照射下二极管产生的输出电流，可以通过连接电流表或电流放大器进行测量。
而暗电流是指在没有光照射的情况下，二极管自身产生的微弱电流。
暗电流直接影响光电二极管的信噪比和稳定性，需要特殊的实验装置和方法进行测量。
三、光电二极管特性分析测量得到的光电二极管特性数据可以通过分析得到有关器件性能的重要信息。
以下是几个典型的分析方法：1. 截止频率和带宽分析利用频响特性曲线可以确定光电二极管的截止频率和带宽。
截止频率是指光电二极管对信号频率的响应达到3dB衰减的频率，可以通过对频响特性进行插值计算得到。
带宽是指光电二极管在特定条件下能够传输信号的频率范围，可以根据频响特性曲线的满足条件进行判断。
2. 光电流增益分析光电流增益是指光电二极管单位光功率入射时输出电流的增益。
可以通过将测得的光电流与已知的入射光功率相除得到。
光电流增益反映了光电二极管对光信号的放大效果，是评估器件性能的重要指标。
APD光电二极管特性测试实验
APD光电二极管特性测试实验APD光电二极管特性测试实验1，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2，实验内容有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3、实验仪器1、光电检测综合实验仪器12、光路组件1组3、测光表1组4、1组5和2#重叠插头对(红色，50厘米)和10组6和2#重叠插头对(黑色，50厘米)10根7相电力电缆，1根8相电源线，1本9实验说明书，1台4示波器，雪崩光电二极管APD—雪崩光电二极管是一种具有内部增益的光电探测器，可用于探测微弱的光信号并获得较大的输出光电流。
雪崩光电二极管的内部增益基于碰撞电离效应。
当高反向偏置电压施加到PN结时，5耗尽层中的电场非常强，并且光生载流子在通过时将被电场加速。
当电场强度足够高(约3x10v/cm)时，光生载流子获得大量动能。
它们与半导体晶格高速碰撞，电离晶体中的原子，从而激发新的电子-空穴对。
这种现象被称为碰撞电离碰撞电离产生的电子-空穴对也在强电场的作用下加速，并重复前面的过程。
由于多次碰撞电离，载流子迅速增加，电流迅速增加。
这一物理过程被称为雪崩倍增效应。
++图6-1是APD的结构与电极接触的外侧的P区和N区被重掺杂，分别由P和N+表示；在I区和n区的中间是另一层宽度较窄的p区APD在大的反向偏置下工作。
当反向偏置电压增加到++到一定值时，耗尽层从N-P结区延伸到P区，包括中间P层区和I+区图4的结构是直通APD结构从图中可以看出，电场分布在区域一相对较弱，但在区域N-P++相对较强。
碰撞电离区，即雪崩区，位于n-p区虽然I区的电场比N-P区低得多，但也足够高，达到4(最高2×10V/cm)，从而保证载流子达到饱和漂移速度。
APD实验指导书V1.01
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二、实验仪说明................................................................................. 错误!未定义书签。
1、电子电路部分结构分布............................ 错误!未定义书签。
2、光通路组件 ..................................... 错误!未定义书签。
第二章 APD光电二极管特性测试.............. 错误!未定义书签。
1、APD光电二极管暗电流测试........................ 错误!未定义书签。
2、APD光电二极管光电流测试........................ 错误!未定义书签。
3、APD光电二极管伏安特性.......................... 错误!未定义书签。
4、APD光电二极管雪崩电压测试...................... 错误!未定义书签。
5、APD光电二极管光照特性.......................... 错误!未定义书签。
6、APD光电二极管时间响应特性测试.................. 错误!未定义书签。
7、APD光电二极管光谱特性测试...................... 错误!未定义书签。
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。
发光二极管电学特性测试实验报告
发光二极管电学特性测试实验报告
实验报告
一、实验目的
本实验的目的是测试发光二极管的电学特性以及分析其对电路的影响。
二、实验准备
1.发光二极管；
2.电源电压；
3.电阻；
4.基本电路板；
5.数字多用表；
6.锂电池。
三、实验原理
I=K(V-VD)
其中，I表示电流，V表示电压，K表示发光二极管的电流系数，VD
表示外界电压（饱和电压）。
四、实验步骤
1.在电路板上安装发光二极管、电阻和电源；
2.将电源供应电压调到所需电压；
3.测量发光二极管的电流和电压值，并用曲线图记录下来；
4.重复步骤2-3，更改电压的大小，并重复上述步骤，以获得发光二极管不同电压下的电流和电压值；
5.重复步骤2-4，使用不同的锂电池，来获得发光二极管不同电压下的电流和电压值；
6.画出电压-电流特性曲线图，计算发光二极管的饱和电压。
五、实验结果。
实验一 发光二极管特性测试实验
发光二极管特性测试实验一、实验背景介绍（一）发光二极管的工作原理发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED （light-emitting diode）。
由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。
在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。
其工作原理图如下：（二）发光二极管的特性参数IF 值通常为20mA被设为一个测试条件和常亮时的一个标准电流，设定不同的值用以测试二极管的各项性能参数，具体见特性曲线图。
IF 特性：1. 以正常的寿命讨论，通常标准IF 值设为20 －30mA，瞬间（20ms ）可增至100mA。
2. IF 增大时LAMP 的颜色、亮度、VF 特性及工作温度均会受到影响，它是正常工作时的一个先决条件，IF 值增大：寿命缩短、VF 值增大、波长偏低、温度上升、亮度增大、角度不变，与相关参数间的关系见曲线图；1.VR （LAMP 的反向崩溃电压）由于LAMP 是二极管具有单向导电特性，反向通电时反向电流为0 ，而反向电压高到一定程度时会把二极管击穿，刚好能把二极管击穿的电压称为反向崩溃电压，可以用“VR ”来表示。
VR 特性：1. VR 是衡量P/N 结反向耐压特性，当然VR 赿高赿好；2. VR 值较低在电路中使用时经常会有反向脉冲电流经过，容易击穿变坏；3. VR 又通常被设定一定的安全值来测试反向电流（IF 值），一般设为5V ；4. 红、黄、黄绿等四元晶片反向电压可做到20 －40V ，蓝、纯绿、紫色等晶片反向电压只能做到5V 以上。
雪崩光电二极管APD倍增特性的测试
三、实验步骤
倍增系数测试 • 启动单色仪，并扫描到800nm位置； • 不打开高压开关，运行软件采集数据，得到APD的无增益
•
•
电流值； 将反馈电阻更换为300K，然后打开高压开关，在控制面板 上调节“高压调节”旋钮并观察电压表示数，从60V开始 调节，每次增加5V并采集数据，得到APD的增益电流值， 电压达到反向电压的90％（为上次实验测定的值）时停止， 此时软件自动完成数据处理，显示出APD的倍增系数及其 曲线； 可以更换不同的波长或改变光强（通过改变单色 仪出射狭缝的大小），重复做上述步骤，并把结果进行比 较。 实验结束后，先将高压输出调到最小，然后关闭高压开 关，，并闭溴钨灯电源，最后关闭仪器总电源。
三、实验步骤
暗电流测试 1. 在控制面板上，把APD模块所带数据线小的红色插头插控制 面板上APD特性测试框中地正，大的红色插头插在其中的负， 黑色插头插在其中的地。“高压输出”与APD特性测框中的 “负”相连，“高压输出”与电压表的“2000+”连通，电 压表的“-”与地相连，电压表量程切换到2000V。然后用连 接线将APD特性测试框中的正与12-3中的孔2相连，并在4和 5上插上30M的反馈电阻； 2. 接通仪器总电源，打开高压开关； 3. 在控制面板上调节“高压调节”旋钮并观察电压表示数， 从60V开始调节，每次增加5V并采集数据，电压达到90％反 向电压（为上次实验测定的值）时停止； 实验结束后，先 将高压输出调到最小，然后关闭高压开关，再关闭仪器总 电源。
雪崩光电二极管APD倍增特性 的测试
一、实验目的
1. 2. 3. 4. 5. 加深对雪崩光电二极管工作原理的理解 学会雪崩光电二极管的反向电压的测试方法 学会雪崩光电二极管的暗电流的测试方法 学会雪崩光电二极管的倍增特性的测试方法 掌握雪崩光电二极管的使用方法。
雪崩光电二极管apd的特性和单光子探测的分析
第三章雪崩光电二极管特性研究于。
‘６０Ｄ－，：ｅ０００００｛兰一图３．１６单光子计数器计数结果（ａ）单光子计数结果（ｂ）不同光强下的计数值和输入光功率的函数曲线Ｆｉｇ．３－１６Ｃｏｕｎｔｒｅｓｕｌｔｆｒｏｍｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｅｒ（ａ）Ｒｅｓｕｌｔｏｆｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｉｎｇ（ｂ）Ｃｏｕｎｔｖａｌｕｅｖｅｒｓｕｓｉｎｐｕｔｌｉｇｈｔｐｏｗｅｒａｔｖａｒｉｅｄｉｎｔｅｎｓｉｔｙ光子探测效率可以表示为玎。
：Ⅳ＾×１００％－，＿．２Ｌｓｒ３—２６）％２巴／＾ｙ。
ｌ式中地为有光时由光子产生的计数率，它是光子计数器上的计数值和计数时间（２０ｓ）的比值。
Ｐ。
为输入光功率，是矿为单光子能量。
这样平均光子数为／．ｔ＝Ｏ．１和ｕ＝Ｏ，０３时的光子探测效率分别可计算为ｌ，２９％和２．０９％。
在实验中暗计数率为３．１３Ｘ１０～／ｎｓ。
在以上的单光子计数实验中，我们利用ＥｐｉｔａｘｙＡＰＤ进行光探测，由光子数的泊松分布可知，在平均光子数Ⅳ＝０．１时，单光子概率已经大于９０％；在平均光子数／．ｔ＝Ｏ．０３时，单光子概率大于９７％，实验数据显示了单光子计数测量。
在今后的工作中，通过选用噪声性能好的管子，并采取一定的滤噪措施，使ＡＰＤ工作在最佳温度和最佳电压条件下，高性能的单光子探测是可以实现的。
实现单光子探测的基本要求是，一方面是对被探测的光子要有很高的响应灵敏度，另一方面是背景噪声要尽可能少。
提高响应灵敏度和降低噪声是两个可：相制约的因素。
在常规通信系统中，最佳信噪比是个好的选择。
响应灵敏度和暗电流都随工作电压增加而增加，但暗电流和背景噪声随工作电压上升更快。
所以，最佳信噪比的工作电压不是响应灵敏度最高的电压。
对于单光予探测，响应灵敏度是主要追求目标，是在获得最大可能的探测灵敏度的条件下设法降低暗电流和背景噪声。
发光二极管特性测试实验报告
发光二极管特性测试实验报告
并规范
实验目的
通过发光二极管特性测试，研究发光二极管的正向压降、电流、亮度等特性，以及各参数调节等。
实验环境
实验环境安全无污染，实验室的温湿度符合实验要求，实验台架保持稳定，实验仪器和仪表灵活可靠，实验室提供了充足的电源供电。
实验设备
1.发光二极管；
2.可控变压器；
3.电流表；
4.功率表；
5.万用表；
6.电源线；
7.阻值。
实验原理
发光二极管（LED）是一种三极半导体，其特点是在正向电压作用下能迅速产生可见光。
发光二极管的工作原理是利用半导体结构中的特性，
导致电荷在半导体内部发生电子激子对撞。
当电子激子击中离子层时，释
放出击中的能量，其中一部分能量变为可见光。
实验步骤
1.使用万用表将发光二极管连接电路，将发光二极管接入电路，加入
一定的阻值，使电流控制在一定的范围内；
2.设定电压、电流值，调节可控变压器，观察发光二极管的发光强度，并记录电压、电流值，根据亮度值计算出电流的最大值，即为LED的最大
亮度；
3.根据测得的电流电压值，改变阻值，调节电流大小，从而改变发光
二极管的发光强度；。
APD实验指导书V1.01
APD光电二极管实验仪实验指导书目录第一章APD光电二极管综合实验仪说明..................... - 2 -二、实验仪说明 (2)1、电子电路部分结构分布........................................ - 2 -2、光通路组件 ................................................. - 3 -第二章 APD光电二极管特性测试......................... - 4 -1、APD光电二极管暗电流测试.................................... - 6 -2、APD光电二极管光电流测试.................................... - 7 -3、APD光电二极管伏安特性...................................... - 7 -4、APD光电二极管雪崩电压测试.................................. - 7 -5、APD光电二极管光照特性...................................... - 8 -6、APD光电二极管时间响应特性测试.............................. - 8 -7、APD光电二极管光谱特性测试.................................. - 9 -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。
实验一光电二极管、光电三极管光照特性的测试
或
G
SA SK
•
暗电流
当光电倍增管在完全黑暗的情况下工作时，阳极电路里 仍然会出现输出电流，称为暗电流。引起暗电流的因素 有：热电子发射、场致发射、放射性同位素的核辐射、 光反馈、离子反馈和极间漏电等。
三、实验装置
实验装置如图3。
测试室 光源室
白炽灯 倍增管
检流计
倍增管电源
白炽灯电源
+1
如图4所示，
可以作鉴相 器使用。
-180°
-90°
90°
180°
φ
-1
图4 相关器输入为与参考信号同频的 方波时它的输出直流电压与两者 的相位差成线性关系
⑤ 等效噪声带宽
基波噪声带宽： f N 1
1 1 2 R0C0 2T
总等效噪声带宽：f N 1
2
8
f N 1
2
16T
四、实验仪器及装置
1.
2.
实验仪器：光电二极管、钨丝灯、调压变压器、照度 表、毫安表、直流稳压电源等。
实验装置如图4。
照度计
μA
直流稳压电源
光电探测器
调压变压器
图4
光电二极管光照特性测试装置
实 验 二 硅光电池负载特性的测试
一、实验目的
1. 掌握硅光电池的正确使用方法。 2. 了解光电池零负载，以及不同负载时光电流
1.43 f ( R1 R2 )C1
3端为输出端，R3是限流电阻，避免由于电流过大
而烧坏红外发光管D，其输出信号为方波，占空比 为
R1 。 R1 R2
② 接收电路由光电三极管、放大驱动电路和负载组成。 由于外接负载的不同，所采用的放大电路的形式也很 多。 如果负载电流较小，可采用晶体管作放大器，输出端 直接带负载（如图2）。 V
浅析APD光电二极管基本特性测试研究
浅析APD光电二极管基本特性测试研究发表时间：2019-05-05T16:47:16.533Z 来源：《电力设备》2018年第31期作者：蔡智[导读] 摘要：APD光电二极管是在光探测研究中使用的一种重要的光伏探测器元件，在光电系统领域中有着举足轻重的地位，我国光电领域的科研人员对APD光电二极管的研究十分重视，如何对APD光电二极管的性能进行测试成为了科研人员需要攻破的首要难关。
（汉口学院光电信息科学与工程专业湖北省武汉市 430212）摘要：APD光电二极管是在光探测研究中使用的一种重要的光伏探测器元件，在光电系统领域中有着举足轻重的地位，我国光电领域的科研人员对APD光电二极管的研究十分重视，如何对APD光电二极管的性能进行测试成为了科研人员需要攻破的首要难关。
本文主要介绍的针对APD光电二极管的部分特性测试，主要包括暗电流、光电流的测试、APD光电二极管的电压特点、APD光电二极管的光照性能测试、APD光电二极管的达到什么条件会击穿的测试以及APD光电二极管的响应度与倍增因子情况的测试研究。
关键词：APD光电二极管；结构；特性；测试1.简析APD光电二极管的概念与优点1.1 APD光电二极管的定义Avalanche Photo Diode的中文译名为雪崩光电二极管，又称APD光电二极管，主要应用与光电工程领域，APD光电二极管的生产材料主要是半导体材料硅或锗为主，APD光电二极管被称为雪崩光电二极管的原因是因为在光探测中，在APD光电二极管的P-N结上加上反向偏压后，测试的光被APD光电二极管中的P-N结构吸收后，形成的光电流在改变反向偏压后，会造成光电流成倍的激增的现象，因为视觉上形同“雪崩”，所以APD光电二极管又称为雪崩光电二极管。
1.2 APD光电二极管的优点普通的光电二极管在在光学反映中的性能测试中的性能较差，主要原因是普通光电二极管的灵敏度不高，对光电流的敏感性不强，APD光电二极管则是通过技术改良，增强了光电二极管的灵敏度，提高了对光电流的敏度，对我国光电领域的精密测量提供了技术前提。
APD光电二极管特性(精)
APD光电二极管特性
教学环境
多媒体机房
教学
内容
1.APD光电二极管一般性能
2.倍增因子
3.过剩噪声因子
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目标
1．了解PIN光电二极管一般性能
2．了解掌握查看APD光电二极管的参数表，并根据参数表选型。
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方法
讲授、讨论、总结
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过程
讲授：
1.APD光电二极管一般性能
倍。现有的APD的g值已达几十甚至上百，随反向偏压、波长和温度变化
3.过剩噪声因子
过剩噪声因子F是由于雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数。附加噪声指数与器件所用的材料和工艺相关，并例举了硅、锗和铟镓砷几种材料的附加噪声指数。
小结：
课堂总结
例举Si材料和InGaAs材料的雪崩光电二极管的参数表格，APD光电二极管的参数
包括光谱响应范围、峰值波长、灵敏度、量子效率、击穿电压、击穿电压温度系数、暗电流、截止波长、结电容、附加噪声指数和增益等。以及两者的特点和应用场合。
2.倍增因子
倍增因子是APD输出光电流和一次光生电流的比值，APD的响应度比PIN增加了g
光电器件特性测试实验报告
光电器件特性测试实验报告光电器件特性测试实验报告摘要：本实验旨在通过对光电器件特性的测试，探究光电器件的工作原理和性能特点。
实验中使用了光电二极管和光敏电阻作为测试对象，通过测试光电器件的光电流和光电阻随光强的变化关系，以及对不同波长光的响应能力，得出了一系列实验结果。
实验结果表明，光电器件的性能特点与光强、波长等因素密切相关，为光电器件的设计和应用提供了重要依据。
一、引言光电器件是将光信号转化为电信号的重要元件，广泛应用于光通信、光电子、光电测量等领域。
了解光电器件的特性对于其设计和应用具有重要意义。
本实验选取了光电二极管和光敏电阻作为测试对象，通过对其特性的测试，探究光电器件的工作原理和性能特点。
二、实验方法1. 实验器材：- 光电二极管- 光敏电阻- 光源- 电流源- 电压源- 示波器- 多用表2. 实验步骤：a. 搭建光电器件测试电路，将光电二极管和光敏电阻分别与电流源和电压源相连。
b. 调节光源距离光电器件的距离，改变光强。
c. 测量光电二极管的光电流和光敏电阻的光电阻随光强的变化关系。
d. 改变光源的波长，测量光电二极管和光敏电阻对不同波长光的响应能力。
三、实验结果与分析1. 光电二极管的特性测试结果：a. 光电流随光强的变化关系：实验结果显示，光电流随光强的增大而线性增加，但当光强达到一定值后，光电流增加的速度减慢，呈现饱和状态。
这是因为光电二极管在光照射下，光子能量被电子吸收，从而产生电流。
b. 光电流对不同波长光的响应能力：实验结果显示，光电二极管对不同波长光的响应能力存在差异。
在可见光范围内，光电流对短波长光的响应更强，而对长波长光的响应较弱。
这是因为光电二极管的能带结构和材料特性导致了不同波长光的吸收效果不同。
2. 光敏电阻的特性测试结果：a. 光敏电阻随光强的变化关系：实验结果显示，光敏电阻随光强的增大而线性减小，即光敏电阻与光强呈反比关系。
这是因为光敏电阻的电阻值受光照射强度的影响，光强越大，电阻值越小。
光电二极管特性与灵敏度的研究与实验
光电二极管特性与灵敏度的研究与实验在现代科技发展的背景下，光电二极管作为一种重要的光电转换器件，被广泛应用于光通信、光电子技术、光电测量等领域。
本文将对光电二极管的特性与灵敏度进行研究与实验，探索其在光电器件中的重要作用。
首先我们需要了解光电二极管的基本特性。
光电二极管是一种可以将光信号转换为电信号的器件。
当光线照射到光电二极管的P-N结上，产生的光电效应会引起电子和空穴的发射，从而形成电流。
其基本特性包括响应速度、光谱响应范围以及灵敏度等方面。
为了研究光电二极管的特性，我们可以进行一系列的实验。
首先，可以用光源照射光电二极管，利用示波器观察到的电压信号来测量其响应速度。
通过改变照射光源的频率，我们可以得到光电二极管的响应速度随频率变化的曲线。
从实验结果中可以看出，光电二极管的响应速度随着光源频率的增加而逐渐减小，这是因为高频光的光子能量较大，使得光电二极管的电子和空穴更容易产生，从而响应速度下降。
接下来，我们可以通过改变照射光源的波长，来研究光电二极管的光谱响应范围。
光谱响应范围指的是光电二极管对不同波长的光的响应能力。
通过测量不同波长下光电二极管的输出电流，我们可以得到光电二极管的光谱响应曲线。
从实验结果中可以看出，光电二极管对不同波长的光的响应程度是不同的，其光谱响应范围通常集中在特定的波长区间。
这是由于光电二极管的材料和结构决定的，不同的材料和结构会导致其对光的波长有不同的选择性。
在研究光电二极管的特性时，我们还需要了解其灵敏度。
光电二极管的灵敏度指的是其对光强度变化的敏感程度。
通过实验，我们可以利用光源的强度来改变照射光电二极管的光强度，然后测量其输出电流的变化情况。
通过得到的数据，我们可以绘制出光电二极管的灵敏度曲线。
实验结果显示，光电二极管的灵敏度随着光强度的增加而增加，但是当光强度超过一定阈值时，灵敏度开始饱和。
这是因为在光强度较低时，光电二极管的电子和空穴发射速率相对较低，导致灵敏度有限；而在光强度较高时，光子能量大，电子和空穴易于产生，使灵敏度增加，但是当光子能量更高时，光电二极管饱和，不再增加。
APD光电二极管特性测试实验
APD光电二极管特征测试实验一、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征3、掌握 APD光电二极管特征测试方法4、认识 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光电二极管伏安特征测试实验4、 APD光电二极管雪崩电压测试实验5、 APD光电二极管光电特征测试实验6、 APD光电二极管时间响应特征测试实验7、 APD光电二极管光谱特征测试实验三、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是拥有内部增益的光检测器，它能够用来检测轻微光信号并获取较大的输出光电流。
雪崩光电二极管能够获取内部增益是鉴于碰撞电离效应。
当PN结上加高的反偏压时，耗尽层的电场很强，光生载流子经过时就会被电场加快，当电场强度足够高( 约 3x105V／ cm) 时，光生载流子获取很大的动能，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，进而激发出新的电子一空穴对，这类现象称为碰撞电离。
碰撞电离产生的电子一空穴对在强电场作用下相同又被加快，重复前一过程，这样多次碰撞电离的结果使载流子快速增添，电流也快速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。
图 6-1 为 APD的一种构造。
外侧与电极接触的P 区和 N 区都进行了重混杂，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 结区向来扩展 ( 或称拉通 ) 到 P+区，包含了中间的 P 层区和 I 区。
实验2 光电探测之光电二极管特性测试(实验报告)
实验报告
（5）确认电路连接无误后，将实验仪光源驱动部分的单刀双掷开关 S2 拨到“静态” ， 打开电源，缓慢调节光照度调节电位器，通过左右切换按钮，将光源颜色切换为白色。 （6）直到光照为 300lx（约为环境光照） ，缓慢调节 0-15V 可调电源直至电压表显示为 6V，读出此时电流表的读数，即为光电二极管在偏压 6V，光照 300lx 时的光电流。将以上 参数记录到表 2-2 中。 表 2-2 光电二极管光电流测试参数 显示在光照度计上的光照度 （LUX） 300 显示在电压表上的偏压值 （V） 显示在电流表上的光电流值 （uA）
4/6
实验报告
（注意：直流电源不可调至高于20V，以免烧坏光电二极管） （7）重复上述步骤，分别测量光电二极管在 300Lx 和 800Lx 照度下，不同偏压下的光 生电流值，填入表 2-6、表 2-7 中。 表 2-5 光照度为 500LUX 的条件下光电二极管伏安特性参数测试 光电二极 管偏压 （V） 光生电流 （uA） 表 2-6 光照度为 300LUX 的条件下光电二极管伏安特性参数测试 光电二极 管偏压 （V） 光生电流 （uA） 表 2-7 光照度为 800LUX 的条件下光电二极管伏安特性参数测试 光电二极 管偏压 （V） 光生电流 （uA） （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。 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12
实验报告
实验 2 光电探测之光电二极管特性测试
【实验目的】
1. 2. 3. 4. 学习掌握光电二极管的工作原理 学习掌握光电二极管的基本特性 掌握光电二极管特性测试的方电探测实验仪，1 台 本次实验请关注实验仪上的以下模块： （1）光源驱动模块； （2）电子元件部分； （3） 光照度计； （4）电流表； （5）电压表； （6）电源模块中的可调直流 0~15V 部分。 2. 光通路组件，1 套 光通路组件由以下部分组成： （1）LED 光源； （2）光电二极管封装组件； （3）光照度 计探头。 3. 彩排数据线，1 根 用于连接“LED 光源”和“光源驱动”部分的 J2 插座。 4. 红、黑颜色的电路连接线，若干 5. 数字万用表 MS8221 型，1 台
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APD光电二极管特性测试实验一、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4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=I P/I P0式中：I P是APD的输出平均电流；I P0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-空穴对的随机性和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>(I P/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，因而应设法避免。
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。
当反偏压接近某一电压V B时，电流倍增最大，此时称APD被击穿，电压V B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，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（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使用彩排数据线相连。
（2）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态特性”，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RL6=1K欧,电流表选择200uA档.（5）打开电源开关，缓慢调节直流电源电位器,直到微安表显示有读数为止,记录此时电压表U和电流表的读数即为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，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（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使用彩排数据线相连。
（2）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态特性”，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RL6=1K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，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（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使用彩排数据线相连。
（2）“光源驱动单元”的三掷开关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RL6=1K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.（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～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1lx,10lx,50lx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。
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.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，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（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使用彩排数据线相连。
（2）“光源驱动单元”的三掷开关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RL6=1K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,顺时针调节该旋钮，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。
（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。