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1

2、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。当入射光被照射时，由于窄的雪崩区域

，光子不能被完全吸收，并且相当多的光子进入I区域I区非常宽，可以充分吸收光子，提高光电转换效率。我们称区域1中光子吸收产生的电子-空穴对为初级电子-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，在雪崩区产生雪崩倍增。而所有主空穴

+

被p层直接吸收雪崩区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区仍然用作吸收光信号的区域，并产生初级光生电子-空穴对。此外，它还具有分离初级电子

+

和空穴的功能。初级电子通过碰撞电离在氮磷区域形成更多的电子空穴对，从而实现初级光电流的放大。APD的结构和电场分布图6-1中的

碰撞电离产生的雪崩倍增过程本质上是统计的，即一个复杂的随机过程。每个初级光生电子-空穴对在哪里产生，碰撞电离在哪里发生，总共有多少个次级电子-空穴对碰撞都是随机的。因此，与PIN 光电二极管相比，APD具有更复杂的特性。

APD的雪崩倍增因子m定义为

m = IP/IPo

，其中IP为APD的平均输出电流；IP0是平均初级光生电流从定义中可以看出，倍增因子是APD的当前增益因子由于雪崩倍增过程是随机过程，倍增因子是高于平均值的随机波动，雪崩倍增因子m 的定义应该理解为统计平均倍增因子m随反向偏置的增加而增加，随w的增加而呈指数增加

APD的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声、热噪声和附加乘法噪声。乘法噪声是APD中的主要噪声

倍增噪声的产生主要与两个过程有关，即由光子吸收产生的初级电子-空穴对的随机性和在增益区产生的次级电子-空穴对的随机性这两个过程不能被精确地测量，所以APD乘法因子只能是一个统计平均的概念，表示为一个复杂的随机函数

由于APD具有电流增益，因此APD的响度远远高于PIN的响应度，

R0 =(IP/P)=(ηq/HF)

量子效率仅与初级光生载流子的数量有关，不涉及乘法，因此量子效率值始终小于1APD的线性工作范围不如PIN宽，适合检测微弱光信号。当光功率达到几个uw以上时，输出电流和入射光功率之间的线性关系变坏，并且可以实现的最大倍增增益也降低，即出现饱和现象

APD的这种非线性转换的原因类似于引脚，主要是因为器件上的

偏置电压不能保持恒定。随着

的偏置电压降低，雪崩区变窄，倍增因子降低。这种效果比个人识别码的效果更明显它会压缩数字信号的脉冲幅度或使模拟信号的波形失真，因此应避免。

APD在低偏压下没有倍增效应当偏置电压上升时，产生倍增效应，并且输出信号电流增加当反向偏置电压接近某一电压VB时，电流倍增最大，此时APD称为击穿，电压VB称为击穿电压。如果反向偏置电压进一步增加，雪崩击穿电流使器件对光生载流子越来越不敏感。因此，APD的偏置电压接近击穿电压，通常在几十伏到几百伏的范围内应该注意的是，击穿电压不是APD的击穿电压，在电压被去除后，APD仍然可以正常工作。

APD暗电流分为原生暗电流和倍增暗电流，并随着倍增因子的增加而增加。此外，还有未倍增的漏电流。

APD的响应速度主要取决于载流子完成倍增过程所需的时间、载流子穿过耗尽层所需的渡越时间、二极管结电容和负载电阻的RC时间常数等。然而，运输时间的影响相对较大，通过改进结构设计，剩余的因素可以减少到非常少。

5、实验准备

1、实验前请仔细阅读光电检测综合实验仪的说明书，并找出实验箱各部分的功能和拨码开关的意义；

2，当电压表和电流表显示为“1 _”时，表示超出测量范围，应更换为适当的测量范围；3.连接前，确保电源已关闭