APD光电二极管的特性测试及应用研究1
四川理工学院毕业设计（论文）APD光电管的特性测试及应用研究
学生：XXX
学号：XXX
专业：物理学
班级：2010.1
指导教师：XXX
四川理工学院理学院
二O 一四年六月
附件1：四川理工学院毕业设计（论文）任务书
四川理工学院
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：APD光电管的特性测试及应用研究
系：物理专业：物理学班级: 2010级1班学号：
学生：XXX 指导教师：XXX
接受任务时间2014.01.18
教研室主任（签名）二级学院院长（签名）
1．毕业设计（论文）的主要内容及基本要求
1) 学习APD光电二极管的工作原理；
2）理解APD光电二极管的各项参数指标并测试各项参数如: 暗电流、伏安特性、雪崩电压、光谱特性等；
3）设计利用APD光电二极管的相关检测电路并实际制作硬件；
4) 撰写毕业论文，参加答辩。
2．指定查阅的主要参考文献及说明
[1]Jerald Graeme. 光电二级管及其放大电路设计[M]. 北京:科学出版社. 2012.8
[2]史玖德. 光电管与光电倍增管[M]. 1981年
[3]黄德修. 半导体光电子学(第二版)[M]. 北京:电子工业出版社, 2013.1.
[4]安毓英. 光电子技术[M].北京:电子工业出版社, 2012.12.
[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。
注：本表在学生接受任务时下达
摘要
APD -Avalanche Photodiode称为雪崩光敏二极管，在光电二极管的P-N结上加上反向偏压，则入射的光子被P-N结吸收后就会形成光电流。雪崩光敏二极管广泛应用于电磁兼容测试、生物发光检测、激光成像系统、激光测距、激光雷达、激光陀螺、红外探测、金属矿石选择等领域。本文在分析APD工作原理的基础上，在实验室实际测试了APD光电二极管的暗电流、光电流、伏安特性、雪崩电压、光电特性、光谱特性等。最后设计了一个通过单片机控制并显示的光敏开关电路，在实验室调试成功。
关键词：APD；光电特性测试；半导体；单片机
Abstract
APD means Avalanche Photodiode. The photodiode’s P-N junction absorption photon incident can be formed the light current when it is with the reverse bias. Avalanche photodiode is widely used in EMC test, bioluminescence detection, laser imaging system, laser ranging, laser radar, laser gyro, infrared detection, and metal ore selection etc. Based on the analysis of the working principle of APD, this paper shows the testing of the APD’s dark current of photodiode dark current, photocurrent, volt ampere characteristics, avalanche voltage, optical characteristics, and spectral characteristics in the laboratory. Finally, a photosensitive switch circuit controlled by MCU was designed and debugged successfully in the laboratory.
Key words: APD; Photoelectric characteristics test; Semiconductor; MCU
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目录
摘要 .......................................................................................................................................... I
Abstract ...................................................................................................................................... II 目录 ........................................................................................................................................ I II
第一章引言 (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 国内外研究现状 (2)
1.2.1 APD的发展概况 (2)
1.2.2不同材料APD的性能特点 (6)
第二章雪崩光电二极管的基本原理 (7)
2.1 APD典型结构分析 (7)
第三章APD光电二极管特性测试实验 (10)
3.1测试APD光电二极管的目的 (10)
3.2测试APD光电二极管的主要参数 (10)
3.3实验所需主要仪器 (10)
3.4 APD光电二极管实验原理 (11)
3.5实验过程中的注意事项 (11)
3.6实验内容及数据分析 (12)
3.6.1 APD光电二极管暗电流测试 (12)
3.6.2 APD光电二极管光电流测试 (13)
3.6.3 APD光电二极管伏安特性 (13)
3.6.4 APD光电二极管雪崩电压测试 (14)
3.6.5 APD光电二极管光照特性 (15)
3.6.6 APD光电二极管光谱特性测试 (17)
第四章APD光电二极管的应用 (19)
4.1 APD的应用概述 (19)
4.2 APD的前置放大模块 (19)
4.3 LM393双电压比较器说明 (21)
4.4应用模块接线和现象 (22)
第五章结论 (24)
参考文献 (25)
致谢 (27)
附录 (28)
文献综述 (32)
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第一章引言
1.1 课题背景
光探测技术在当今时代是普遍应用的，并且改变着现代人类传递和接收信息的方式。其中雪崩光电二极管(APD)更是一种广泛应用的光电子器件，主要应用于工业、医疗、航空航天以及科学研究等领域，包括光通信、激光测距[1]、深空激光通信、时间光子分辨计数、量子密钥分配、激光成像[2]，经常被作为一种前置放大器使用。事实上，目前的光通讯系统前置放大器的设计往往采用APD基的接收器而非以前传统的PIN二极管和掺铒光纤放大器的组合。APD之所以在光通信领域应用广泛，是因为APD具有较高的内部增益，在一些高速系统中可以提高接收器的灵敏度。
由于硅半导体工艺技术业已完善成熟，特别容易与其他微电子器件结合，而且在制作硅基半导体器件时的Si薄膜材料有晶体型，无定型和多孔型等多种形式，应用灵活方便。因此硅基光电探测器对于探测波长为200nm-900nm的波段应用越来越普遍，而且在这个波段Si基光电子探测器的响应度比较高，但是随着波长的增加到1000nm左右的时候器件敏感响应度会很低。
特别是伴随着近年来光通讯领域的迅猛发展，尤其是1064nm波段YAG激光器的技术成熟和广泛应用，使得对近红外波段的光探测器件的需求越来越大，进而对APD 在近红外波段的高敏感度的探测提出了迫切要求。但遗憾的是基于硅禁带宽度较大的固有缺陷，使得传统的硅基APD在近红外波段的响应度一直没能满足人们的需求。
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。
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
引言
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。
总之，拓展硅基APD器件的敏感波段，并提高硅基APD近红外敏感探测量子探测效率，越来越成为近年来急需研究解决的问题。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 APD的发展概况
一个世纪以前光探测技术就已经存在于人们的生产和生活当中，并且改变着人类传递和接收信息的方式。光探测器可以分为三大种：光电倍增管(PMT)，光电导元件及光电二极管。早在1913年Einstein发明光电功函数不久，探测弱光信号成为可能，大概20年后，在RCA实验室发明了第一台光电倍增管并于1936年投入市场，从此以后单光子探测成为可能。从此以后光电子器件的发展越来越趋于成熟，第一台硅基雪崩光电二极管实现于六十年代后期，由CRA公司的Mcintyre和Haitz在肖克利实验室完成。第一个关于雪崩光电二极管的专利授予在六十年代末，七十年代初。紧接着日本于1972年也发表了相关专利，那时雪崩光电二极管已经开始按照它们的工作方式分为线性的和盖革模式。下图1-1即为日本首发的固态单光子雪崩光电二极管。图1-2是Mcintyre和Haitz首次发明的APD简图。
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图1-1 日本第一个雪崩光电二极管简图
Fig.1-1 The first APD diagram of Japanse
图1-2 Mcintyre和Haitz发明的APD简图
Fig.1-2 The APD of Mcintyre and Haitz invented
第一个Geiger模式的APD的性能尽管并不很理想，但是它在几个反向偏电压下已经能够探测出单光子，此项研究奠定了对APD器件深入研究的基础。这种雪崩光电二极管称为单光子雪崩光电二极管(SPAD)，随后由Perkin-Elmer发明了SLIK TM结构，不久由RMC公司设计出了单光子雪崩光电二极管阵列。
1987年在罗克韦尔国际科研中心Stapelbrodk等发明了固态的光电倍增管(SSPM)，这是一个有着较高的施主掺杂浓度的APD，由于高浓度掺杂的存在，产生了一个低于导带50MeV的杂质能带。这种结构APD对近红外光的敏感度较差，被人们称之为可见光子探测器(VLPC)。
引言
1990年由德国发明了MRS结构的APD(Metal-Resistor-Semiconductor)，MRS APD 的结构如图1-3所示，是由一层很薄(约0.01μm)的金属Ti层，下边一层为电阻是30-80M?/cm的SiC或者SixOy层，这层用来降低由于局部电场效应引起的盖革击穿，这种结构的制作要求极为严格。剩下的工艺步骤即为常规的半导体器件的制作步骤。其封装后的整体结构简图如图1-4所示。
图1-3MRSAPD结构图
Fig.1-3the structure of MRS APD
图1-4盖革模式APD的整体结构
Fig.1-4 the monolithic construction of Geiger mode APD
2001年，C. Wu，C. H. crouch和E. Mazur等人发现飞秒激光在SF6气体中照射硅表面后，其表面将会形成一层黑色的圆锥状结构。这种结构后来被称为“黑硅”，哈佛大
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学研究小组发现，这种结构硅材料的光吸收特性发生了很大的改变，晶体硅的吸收波长仅仅在200nm-800nm，在1000nm处几乎截止，但是经过飞秒激光辐照的这种硅材料的光吸收波长扩宽到2500nm，而且在整个250nm-2500nm之间光的吸收高达到90%，这种突破性发现，对于硅材料的应用开辟了更为广阔的前景。更为半导体器件的制作提供了一种新材料，这种材料将突破Si半导体器件的很多限制，拓宽了Si光电探测器的光探测范围。同时也为我们提供了一种掺杂S的技术。
2004年美国哈佛大学E. Mazur等人将这种经过微处理的硅基材料应用于雪崩光电二极管(APD)，将1100nm波长处的吸收量子效率提高到58%。不久，Richard A. Myers 等人也研究了经过飞秒激光微处理后的硅基APD在近红外波段的量子响应效率，2006年发表的文献得出了与E. Mazur等人基本一致的结论。与此同时，日本滨松也致力于将“黑硅”这种材料应用于提高APD近红外增强，并做出了相关产品。
图1-5 改进后的APD在650nm~1200nm波段的量子效率Fig.1-5 Quantum efficiency of the improved APD whose wavelength is between 650nm
to1200nm
2008年哈佛大学工程和应用科学学院利用飞秒激光处理技术，将这种微构造应用于PSAPD，增强了近红外响应效率，使器件在1064nm波段处的量子效率提高到58%。
从第一个APD出现以来，APD无论是在科研领域还是在工业应用领域变得越来越重要。与光电倍增管(PMTs)相比雪崩光电二级管具有更高的量子效率，更高的总体敏感性，更高的信噪比。最近几年，越来越多的制造APD的材料和技术被开发和应用，根
引言
据各种各样的需求，例如近红外单光子探测、宽光谱范围探测、较高的响应时间等，越来越多的APD结构被设计出来。
1.2.2不同材料APD的性能特点
本节我们根据APD的制造材料及性能应用对APD分类进行详细的介绍。目前最常用的APD是Si或者Ge材料。Si和Ge是现代社会广泛应用的半导体材料。Si和Ge 很早以来就被人们深入研究并且广泛应用于半导体器件的制造。它们都是间接半导体材料，在300K下Si和Ge的禁带宽度分别为1.12eV和0.66eV，因此他们的截止波长为1100nm和1880nm。APD另外还有InGaAs-InP和HgCdTe材料的APD。
HgCdTe是HgTe和CdTe两种材料的固溶体。根据Cd在HgCdTe材料中所占的比重导致材料的禁带宽度在0eV-1.6eV之间变化。因此可以根据Cd的不同掺杂比例来调整材料的禁带宽度，从而获得我们所需要的材料。HgCdTe材料的APD器件通常只存在于实验室的应用而且通常需要低温操作。InGaAs-InP APD主要应用于光纤网络中的光学接收器用来接收波长为1310/1550nm的电信波长，该类型器件主要用直接带隙半导体材料InGaAs制造。InGaAs材料与InP的晶格结构非常匹配所以可以用InP作为APD 器件的基底。InGaAs-InP APD的倍增层是由具有宽带宽特性的InP材料制成。这种材料的APD可以获得较好的时间响应。但是由于InGaAs和InP两种材料的接触面处存在的不完美匹配，使得APD器件因缺陷而存在很大的噪声，极不适合盖革模式下低噪声的光电探测。
关于Si和Ge材料的APD，我们主要介绍Si材料的APD。Si材料的禁带宽度的限制使得Si材料的APD在探测近红外光的时候受到很大限制，越来越多的致力于扩展Si的探测光谱的研究开始出现。越来越多的Si材料的APD也被研发出来。目前已经有的Si材料APD包括：高速高增益型、近红外增强型、蓝光增强型以及拉通型。
本文在分析APD工作原理的基础上，在实验室实际测试了APD光电二极管暗电流、APD光电二极管光电流、APD光电二极管伏安特性、APD光电二极管雪崩电压、APD 光电二极管光电特性、APD光电二极管时间响应特性、APD光电二极管光谱特性测试等实验。最后设计了一个关于APD光电二极管的前置放大模块，通过单片机驱动液晶显示器，实现了光敏开关的作用。
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第二章雪崩光电二极管的基本原理
2.1 APD典型结构分析
图2-1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2-1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2-1 APD的结构及电场分布
Fig 2-1 the structure of APD and its electric-field distribution 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
雪崩光电二极管的基本原理
复杂。
APD的雪崩倍增因子M定义为
M=I P/I P0 （2.1.1）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随反向偏压的增大而增大，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
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=
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μW 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
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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。
APD光电二极管特性测试实验
第三章APD光电二极管特性测试实验
3.1测试APD光电二极管的目的
熟悉APD光电二极管的工作原理，以及APD光电二极管的基本特性。并且熟练掌握APD光电二极管特性测试方法，以便进一步研究APD光电二极管的基本应用并探索新的应用领域。
3.2测试APD光电二极管的主要参数
本实验主要测试APD光电二极管暗电流、APD光电二极管光电流、APD光电二极管伏安特性、APD光电二极管雪崩电压、APD光电二极管光电特性、APD光电二极管时间响应特性、APD光电二极管光谱特性等主要参数。
3.3实验所需主要仪器
图3-1 实验箱图3-2 实验面板Fig3-1the experimental box fig 3-2 the experimental panel
图3-3APD雪崩光电二极管图3-4 电源线及导线
Fig3-3 the APD fig3-4 the power cord and wireway
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图3-5脉冲宽度及光照度调节面板图3-6照度计Fig 3-5 the panel of pulse width and illuminomenter Fig3-6 the illuminomenter
要完成本实验的相关参数测试需要如下仪器：（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）迭插头导线（红色，50cm）10根；（6）迭插头导线（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。
3.4 APD光电二极管实验原理
雪崩光电二极管APD—Avalanche Photodiode[5]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。
3.5实验过程中的注意事项
实验之前，需要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；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；连线之前保证电源关闭。其次实验过程中，不能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。
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3.6实验内容及数据分析
3.6.1 APD光电二极管暗电流测试
图3-7实验装置原理框图
Fig3-7 the schematic diagram of the experimental device （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0lx。
（4）按图3-7所示的电路连接电路图，直流电源选择电源1，负载R L选择R L11=100K 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I.I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要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。
（7）数据记录：
表3-1APD光电二极管暗电流
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3.6.2 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3-7所示的电路连接电路图，直流电源选择电源1，负载R L选择R L11=100K 欧，电流表选择200μA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I。I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。
（6）数据记录：
表3-2 APD光电二极管光电流
3.6.3 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3-7所示的电路连接电路图，直流电源选择电源1，负载R L选择R L11=100K 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 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，待电压表和电流表稳定后方可读数。)
APD光电二极管特性测试实验
表3-3 APD光电二极管伏安特性
(4)根据表实验结果，作出在200lx光照度下的APD光电二极管伏安特性曲线。
图3-8 APD光电二极管伏安特性曲线
Fig3-8 the volt ampere characteristic curve of the APD
分析图3-8：当光照度为200lx偏压在0-130V之间时，光生电流几乎为0。随着偏压的继续增大，光生电流急剧增加，趋于指数增长。原因可能是反向偏压达到了APD光电二极管的雪崩电压，所以光生电流才迅速增加。（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0-50V差异，测试的数据也有很大差异，属正常现象。）
3.6.4 APD光电二极管雪崩电压测试
(1)根据APD伏安特性的测试方法，重复APD伏安特性测试的实验步骤，分别测出光照度在100lx，300lx，500lx光照度时，反向偏压为0V、50V、100V、120V、130V、140V、150V、160V时的电流表读数，关闭电源，数据记录如下：
表3-4 APD光电二极管电压测试
Table3-4 the voltage test of the APD
2 光电二级管特性
课程设计任务书 课程设计任务书
目录： 实验目的 (1) 实验内容 (1) 实验仪器 (1) 实验原理 (1) 注意事项 (4) 实验步骤 (5) 实验结果 (12) 实验总结 (15) 参考文献 (15)
光电二极管特性测试实验 一、实验目的 1、学习光电二极管的基本工作原理； 2、掌握光电二极管的基本特性参数及其测量方法，并完成对其光照灵敏度、伏安特性、时间响应特性和光谱响应特性的测量； 3、通过学习，能够对其他光伏器件有所了解。 二、实验内容 1、光电二极管暗电流测试实验 2、光电二极管伏安特性测试实验 3、光电二极管光照特性测试实验 4、光电二极管时间特性测试实验 5、光电二极管光谱特性测试实验 三、实验仪器 1、光电二极管综合实验仪 1个 2、光通路组件 1套 3、光照度计 1个 4、电源线 1根 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 四、实验原理 1、概述 随着光电子技术的发发展,光电检测在灵敏度、光谱响应范围及频率我等技术方面要求越来越高，为此，近年来出现了许多性能优良的光伏检测器，如硅锗光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）等。光敏晶体管通常指光电二极管和光电三极管，通常又称光敏二极管和三敏三极管。 光敏二极管的种类很多，就材料来分，有锗、硅制作的光敏二极管，也有III－V族化合物及其他化合物制作的二极管。从结构我来分，有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒及点接触型等。从对光的响应来分，有用于紫外光、红外光等种类。不同种类的光敏二极管，具胡不同的光电特性和检测性能。例如，锗光敏二极管与硅光敏二极管相比，它在红外光区域有很大的灵敏度，如图所示。这是由于锗材料的禁带宽度较硅小，它的本征吸收限处于红外区域，因此在近红外光区域应用；再一方面，锗光敏二极管有较大的电流输出，但它比硅光敏二极管有较大的反向暗电流，因此，它的噪声较大。又如，PIN型或雪崩型光敏二极管与扩散型PN结光敏二极管相比具有很短的时间响应。因此，在使用光敏二极管进要了解其类型及性能是非常重要的。 光敏二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。与光电池相比，它的突出特点是结面积小，因此它的频率特性非常好。光生电动势与光电池相同，
APD光电二极管特性测试实验
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
光敏二极管的检测方法
1．电阻测量法用黑纸或黑布遮住光敏二极管的光信号接收窗口，然后用万用表R×1k档测量光敏二极管的正、反向电阻值。正常时，正向电阻值在10~20kΩ之间，反向电阻值为∞（无穷大）。若测得正、反向电阻值均很小或均为无穷大，则是该光敏二极管漏电或开路损坏。 再去掉黑纸或黑布，使光敏二极管的光信号接收窗口对准光源，然后观察其正、反向电阻值的变化。正常时，正、反向电阻值均应变小，阻值变化越大，说明该光敏二极管的灵敏度越高。 2．电压测量法将万用表置于1V直流电压档，黑表笔接光敏二极管的负极，红表笔接光敏二极管的正极、将光敏二极管的光信号接收窗口对准光源。正常时应有0.2~0.4V电压（其电压与光照强度成正比）。 3．电流测量法将万用表置于50μA或500μA电流档，红表笔接正极，黑表笔接负极，正常的光敏二极管在白炽灯光下，随着光照强度的增加，其电流从几微安增大至几百微安。 1．光敏二极管的简易判别方法 （1）电阻测量法 用万用表1k档，测正向电阻约10kΩ左右。在无光照情况下，反向电阻应为∞，反向电阻不是∞，说明漏电流大；有光照时，反向电阻应随光照增强而减小，阻值小至几kΩ或1kΩ以下。 （2）电压测量法 用万用表1V档（无1V档可用1．5V或3V档），红表笔接光敏二极管的“十”极，黑表笔接“-”极，在光照情况下，其电压应与光照度成比例，一般可达0．2～0．4V。 （3）短路电流测量法 用万用表50mA或500mA电流档，红表笔接光敏二极管的“十”极，黑表笔接“-”极，在白炽灯下（不能用日光灯），应随光照的增强，其电流随之增加。短路电流，可达数十mA～数百mA。 光敏二极管的主要特性参数 ①最高反向工作电压VRM:是指光敏二极管在无光照的条件下，反向漏电流不大于0.1μA时所能承受的最高反向电压值。 ②暗电流ID:是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光
蔡司光电二极管阵列光谱仪模块(diodearrayspectromete
蔡司光电二极管阵列光谱仪模块(diode array spectrometer module) 发展外况 由于光学技术、材料技术、电子技术、计算机技术的迅速发展，蔡司于十年已开始光电二极管阵列光谱仪模块的生产及应用推广。现今这类产品已成为测量和分析的基本单元。只要在进行系统设计的基础上，配以相应的辅助部件、电路、计算机、软件等，能够研制出满足各种需求的精密仪器设备。 以光電二极管阵列光谱仪模块为核心的设备能够测量的参数：发光辐射度、荧光发射度、波长测量、颜色测量、膜层厚度测量、温度测量、浓度测量、气体成分测量等；能够测量的光谱达到的范围：紫外、可见、近红外和红外波段；能够测量的对象：激光、照明光源、发光管、液体、织物、宝石等；模块广泛应用于环境监测、工业分析、缺陷检测、化学分析、食品品质检测、材料分析、医学诊断、临床检验、航空航天、遥感等领域。 模块结构 光電二极管阵列光谱仪模块，具有一个设计极佳的结构组成，主体机壳全封闭式的将传送光的光纤(OPTICAL FIBRE)、光纤截面转换器(CROSS SECTION CONVERTER)、凹面成像光栅(CONCAVE GRATING)、二极管阵列紧凑(DIODE ARRAY)、永久的粘在一起，并有相应的电路(CIRCUIT BOARD)，构成尽可能小的单元模块。两种模块形式如图1、图2所示。 模块的集成和微型是随着光纤技术、光栅技术、二极管阵列检测技术、电子元器件技术、材料技术的进步和发展而来，更多地成为现场检测和实时监控仪器的首选单元。 图1 光電二极管阵列光谱仪模块(微型，内置控制电路和前置放大器)
图2 光电二极管阵列光谱仪模块(分辨率高，外置控制电路和前置放大器) 产品特点 1.工艺先进：紧凑的机械结构；全封闭；光学部件永久定位；没有机械调整；具有对机 械冲击高度的非敏感性；从而导致非常高的可靠性。 2.仅需要成像光栅，省掉了常规光谱仪中的透镜、凹面镜、平面镜等多个部件。 3.体积小；结构完全免维护；不需重新校正；结实耐用；热稳定性好。 4.可以选择较宽的动态范围和波长范围。 5.高感旋光性；高光谱分辨率；高灵敏度；高效率。 6.良好的波长重复性和波长准确性，结果完全可信。 7.用于各种测量目的，同时多波长测量；完整的多成分分析；测量简单可靠。 8.技术先进：能够连续、稳定、快速的采集光谱数据；测量速度之快，可以用于在线 分析。 单元模块 单元模块的大小是由光纤狭缝、成像光栅、检测器件等部件尺寸决定的。参见图1、图2。从物理光学的角度看，部件尺寸仅由所需要的分辨率决定。由于在许多应用中只需很高的重现性，因此在满足一定分辨率的情况下，采用尽量小的部件。 光电二极管阵列光谱仪模块系列的设计理念是：在硬件上尽量简化光、机结构设计，在尽量减少部件数量的同时，不同型号的模块中尽量使用相同部件。 模块主体 在光电二极管阵列光谱仪模块内部，主体是由UBK7玻璃制成，成像光栅直接贴在玻璃体上，这样光栅是完全固定的，能够理想地防止灰尘和气体的侵蚀。使用高光学密度的材料以及更大的光学孔径，可以使用很小的光栅，从而达到更小的失真。 为了达到更好的传输效果，对于紫外波段的模块，固体玻璃主体被换为中空主体并与
光敏电阻伏安特性、光敏二极管光照特性
光敏传感器的光电特性研究 (FB815型光敏传感器光电特性实验仪) 凡是将光信号转换为电信号的传感器称为光敏传感器，也称为光电式传感器，它可用于检测直接由光照明度变化引起的非电量，如光强、光照度等；也可间接用来检测能转换成光量变化的其它非电量,如零件直径、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物体形状、工作状态识别等。光敏传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点,因而在工业自动控制及智能机器人中得到广泛应用。 光敏传感器的物理基础是光电效应，通常分为外光电效应和内光电效应两大类,在光辐射作用下电子逸出材料的表面,产生光电子发射现象,则称为外光电效应或光电子发射效应。基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。另一种现象是电子并不逸出材料表面的,则称为是内光电效应。光电导效应、光生伏特效应都是属于内光电效应。好多半导体材料的很多电学特性都因受到光的照射而发生变化。因此也是属于内光电效应范畴,本实验所涉及的光敏电阻、光敏二极管等均是内光电效应传感器。 通过本设计性实验可以帮助学生了解光敏电阻、光敏二极管的光电传感特性及在某些领域中的应用。 【实验原理】 1．光电效应: (1）光电导效应: 当光照射到某些半导体材料上时,透过到材料内部的光子能量足够大，某些电子吸收光子的能量，从原来的束缚态变成导电的自由态,这时在外电场的作用下,流过半导体的电流会增大，即半导体的电导会增大,这种现象叫光电导效应。它是一种内光电效应。 光电导效应可分为本征型和杂质型两类。前者是指能量足够大的光子使电子离开价带跃入导带，价带中由于电子离开而产生空穴，在外电场作用下，电子和空穴参与电导，使电导增加。杂质型光电导效应则是能量足够大的光子使施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃迁到导带或价带，从而使电导增加。杂质型光电导的长波限比本征型光电导的要长的多。 (２)光生伏特效应: 在无光照时,半导体PN结内部有自建电场。当光照射在PN结及其附近时,在能量足够大的光子作用下，在结区及其附近就产生少数载流子（电子、空穴对）。载流子在结区外时，靠扩散进入结区；在结区中时,则因电场E的作用,电子漂移到N区，空穴漂移到P 区。结果使N区带负电荷,P区带正电荷,产生附加电动势,此电动势称为光生电动势，此现象称为光生伏特效应。 2．光敏传感器的基本特性： 光敏传感器的基本特性则包括:伏安特性、光照特性等。
二极管的特性与应用
二极管的特性与应用 几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。 二极管的工作原理 晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。 当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。 当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。 二极管的类型 二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si 管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。 面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。 平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。 二极管的导电特性 二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。 正向特性 在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称
光电二极管的性能测试
北方民族大学 课程设计报告 院（部、中心）电气信息工程学院 姓名学号 专业测控技术与仪器班级测控技术与仪器101 同组人员 课程名称光电技术综合技能训练 设计题目名称光敏二极管的性能测试 起止时间 成绩 指导教师签名盛洪江 北方民族大学教务处制 摘要 随着光电子技术的发发展,光电检测在灵敏度、光谱响应范围及频率我等技术方面要求越来越高，为此，近年来出现了许多性能优良的光伏检测器，如硅锗光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）等。光敏晶体管通常指光电二极管和光电三极管，通常又称光敏二极管和三敏三极管。 关键词:光敏二极管、ELVIS实验平台、LABView8.6、OSLO软件 引言 光敏二极管的种类很多，就材料来分，有锗、硅制作的光敏二极管，也有III－V族化合物及其他化合物制作的二极管。从结构我来分，有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒及点接触型等。从对光的响应来分，有用于紫外光、红外光等种类。不同种类的光敏二极管，具不同的光电特性和检测性能。 光敏二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。与光电池相比，它的突出特点是结面积小，因此它的频率特性非常好。光生电动势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为数微安到数十微安。按材料分，光敏二极管有硅、砷化铅光敏二极管等许多种，由于硅材料的暗电流温度系数较小，工艺较成熟，因此在实验际中使用最为广泛。
目录 摘要 1 引言 1 目录 2 光敏二极管 3 光电效应 4 光电导效应 4 光生伏特效应 4 光敏二极管的工作原理 5 光敏二极管 5 LabVIEW软件5 总结 6 附录7 程序设计原理图7 结果图8 实验连线9 光敏二极管 光敏二极管的种类很多，就材料来分，有锗、硅制作的光敏二极管，也有III－V族化合物及其他化合物制作的二极管。从结构我上来分，有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒及点接触型等。从对光的响应来分，有用于紫外光、红外光等种类。不同种类的光敏二极管，具胡不同的光电特性和检测性能。 光敏二极管的结构和普通二极管相似，只是它的PN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上，图1（a）是其结构示意图。光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态，如图1（b）所示。 光电效应 光电导效应 若光照射到某些半导体材料上时，透过到材料内部的光子能量足够大，某些电子吸收光子的能量，从原来的束缚态变成导电的自由态，这时在外电场的作用下，流过半导体的电流会增大，即半导体的电导会增大，这种现象叫光电导效应。它是一种内光电效应。 光电导效应可分为本征型和杂质型两类。前者是指能量足够大的光子使电子离开价带跃入导带，价带中由于电子离开而产生空穴，在外电场作用下，电子和空穴参与电导，使电导增加。杂质型光电导效应则是能量足够大的光子使施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃
光敏三极管特性测试
实验三光敏三极管特性测试 一:实验原理： 光敏三极管是具有NPN或PNP结构的半导体管，结构与普通三极管类似。但它的引出电极通常只有两个，入射光主要被面积做得较大的基区所吸收。光敏三极管的结构与工作电路如图（11）所示。集电极接正电压，发射极接负电压。 二:实验所需部件： 光敏三极管、稳压电源、各类光源、电压表（自备4 1/2位表）、微安表、负载电阻 三:实验步骤： 1、判断光敏三极管C、E极性，方法是用万用 表欧姆20M测试档，测得管阻小的时候红表 棒端触脚为C极，黑表棒为E极。 2、暗电流测试： 按图（11）接线，稳压电源用±12V，调整 负载电阻RL阻值，使光敏器件模板被遮光罩盖 住时微安表显示有电流，这即是光敏三极管的暗 电流，或是测得负载电阻RL上的压降V暗，暗 电流LCEO=V暗/RL。（如是硅光敏三极管，则 暗电流可能要小于10-9A，一般不易测出。 3、光电流测试： 取走遮光罩，即可测得光电流I光，通过实验比较可以看出，光敏三极管与光敏二极管相比能把光电流放大（1+HFE）倍，具有更高的灵敏度。 1、伏安特征测试： 光敏三极管在给定的光照强度与工作电压下，将所测得的工作电压Vce与工作电流记录，工作电压可从+4V~+12V变换，并作出一组V/I曲线。 2、光谱特性测试： 对于一定材料和工艺制成的光敏管，必须对应一定波长的入射光才有响应。按图（11）接好光敏三极管测试电路，参照光敏二极管的光谱特性测试方法，分别用各种光照射光敏三极管，测得光电流，并做出定性的结论。 3、光电特性测试：
图（12）光敏三极管的温度特性图（13）光敏三极管的光电特性曲线 在外加工作电压恒定的情况下，照射光通量与光电流的关系见图（13），用各种光源照射光敏三极管，记录光电流的变化。 4、温度特性测试： 光敏三极管的温度特性曲线如图（12）所示，试在图（11）的电路中，加热光敏三极管，观察光电流随温度升高的变化情况。 思考题：光敏三极管工作的原理与半导体三极管相似，为什么光敏三极管有两根引出电极就可以正常工作？
二极管的基本特性与应用(精)
几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。 二极管的工作原理 晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。 当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。 当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。 二极管的类型 二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平 面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固 地烧结在一起，形成一个“PN结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。 面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流” 电路中。 平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。 二极管的导电特性 二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。 1、正向特性 在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电 压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。 2、反向特性 在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当 二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。 二极管的主要参数 用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数。不同类型的二极管有不同的特性参数。对初学者而言，必须了解以下几个主要参数： 1、额定正向工作电流 是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为140左右，锗管为90左右）时，就会使管芯过热而损坏。所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。例如，常用的IN4001－4007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。 2、最高反向工作电压 加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工
光电二极管检测电路的组成及工作原理
光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中,光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换,但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景,单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理,然后如果读者有机会的话,可以运行一个SPICE模拟程序,它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法 是将一个光电二极管跨接在一个CMOS输入 放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种 方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中,光电二极管工作于光致电压 （零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之 产生的电流I SC从负极流至正极,如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高,二极管产生的电流将流过反馈电阻R F。输出电压会随着电阻R F两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压,即 V OUT = I SC×R F（1） 图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中,V OUT是运算放大器输出端的电压,单位为V;I SC是光电二极管产生的电流,单位为A;R F是放大器电路中的反馈电阻,单位为W 。图1中的C RF是电阻R F的寄生电容和电路板的分布电容,且具有一个单极点为1/（2p R F C RF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件R F。用这个模拟程序,激励信号源为I SC,输出端电压为V OUT。 此例中,R F的缺省值为1MW ,C RF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后,传输函数中的极点等于1/（2p R F C RF）,即318.3kHz。改变R F 可在信号频响范围内改变极点。
光敏二极管的检验方法
光敏二极管又叫光电二极管。 光敏二极管也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单向导电特性。它在电路中的符号是： 光敏二极管的重要特性就是把光能转换成电能。在没有光照时，光敏二极管的反向电阻很大，反向电流很微弱，称为暗电流。当有光照时，光子打在pn结附近，于是在pn结附近产生电子-空穴对，它们在pn结内部电场作用下作定向运动，形成光电流。光照越强，光电流越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。 光敏二极管在应用电路中的两种工作状态： 1、光敏二极管施加有外部反向电压 当光敏二极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。 2、光敏二极管不施加外部工作电压 光敏二极管上不加电压，利用P-N结在受光照时产生正向电压的原理，把它用作微型光电池。这种工作状态，通常用作光电检测器。 光敏二极管检测方法： ①电阻测量法 用万用表1k挡。光电二极管正向电阻约10kΩ左右。在无光照情况下，反向电阻为∞时，这管子是好的(反向电阻不是∞时说明漏电流大)；有光照时，反向电阻随光照强度增加而减小，阻值可达到几kΩ或1kΩ以下，则管子是好的；若反向电阻都是∞或为零，则管子是坏的。 ②电压测量法 用万用表1V档。用红表笔接光电二极管“+”极，黑表笔接“—”极，在光照下，其电压与光照强度成比例，一般可达0．2—0．4V。 ③短路电流测量法 用万用表50μA档。用红表笔接光电二极管“+”极，黑表笔接“—”极，在白炽灯下(不能用日光灯)，随着光照增强，其电流增加是好的，短路电流可达数十至数百μA。
实验五 二极管特性及应用
实验四二极管特性曲线及应用 一、实验目的 1. 了解二极管的单向导电特性。 2. 学习二极管极性及性能是否良好的判断方法。 3. 用仿真软件仿真测试和二极管的伏安特性曲线。 二、实验原理 二极管，是电子元件当中一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过。许多二极管的使用是应用其整流的功能。而变容二极管（Varicap Diode ）则用来当作电子式的可调电容器。 大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流（Rectifying ）”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过（称为顺向偏压），反向时阻断（称为逆向偏压）。因此，二极管可以想成电子版的逆止阀。然而实际上二极管并不会表现出如此完美的开与关的方向性，而是较为复杂的非线性电子特征。 晶体二极管为一个由p 型半导体和n 型半导体形成的pn 结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于pn 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 外加正向电压时，在正向特性的起始部分，正向电压很小，不足以克服PN 结内电场的阻挡作用，正向电流几乎为零，这一段称为死区。这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压。当正向电压大于死区电压以后，PN 结内电场被克服，二极管正向导通，电流随电压增大而迅速上升。在正常使用的电流范围内，导通时二极管的端电压几乎维持不变，这个电压称为二极管的正向电压。当二极管两端的正向电压超过一定数值，内电场很快被削弱，电流迅速增长，二极管正向导通。叫做门坎电压或阈值电压，硅管约为0.5V ，锗管约为0.1V 。硅二极管的正向导通压降约为0.6~0.8V ，锗二极管的正向导通压降约为0.2~0.3V 。 外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流。由于反向电流很小，二极管处于截止状态。这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流，二极管的反向饱和电流受温度影响很大。一般硅管的反向电流比锗管小得多， 小功率硅 （a ）（b ）（c ）（d ） 图3.1 常见二极管的符号
光电二三极管特性测试实验报告
光敏二极管特性测试实验 一、实验目的 1.学习光电器件的光电特性、伏安特性的测试方法； 2.掌握光电器件的工作原理、适用范围和应用基础。 二、实验内容 1、光电二极管暗电流测试实验 2、光电二极管光电流测试实验 3、光电二极管伏安特性测试实验 4、光电二极管光电特性测试实验 5、光电二极管时间特性测试实验 6、光电二极管光谱特性测试实验 7、光电三极管光电流测试实验 8、光电三极管伏安特性测试实验 9、光电三极管光电特性测试实验 10、光电三极管时间特性测试实验 11、光电三极管光谱特性测试实验 三、实验仪器 1、光电二三极管综合实验仪 1个 2、光通路组件 1套 3、光照度计 1个 4、电源线 1根 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 四、实验原理 1、概述
随着光电子技术的发发展,光电检测在灵敏度、光谱响应范围及频率我等技术方面要求越来越高，为此，近年来出现了许多性能优良的光伏检测器，如硅锗光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）等。光敏晶体管通常指光电二极管和光电三极管，通常又称光敏二极管和三敏三极管。 光敏二极管的种类很多，就材料来分，有锗、硅制作的光敏二极管，也有III－V族化合物及其他化合物制作的二极管。从结构我来分，有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒及点接触型等。从对光的响应来分，有用于紫外光、红外光等种类。不同种类的光敏二极管，具胡不同的光电特性和检测性能。例如，锗光敏二极管与硅光敏二极管相比，它在红外光区域有很大的灵敏度，如图所示。这是由于锗材料的禁带宽度较硅小，它的本征吸收限处于红外区域，因此在近红外光区域应用；再一方面，锗光敏二极管有较大的电流输出，但它比硅光敏二极管有较大的反向暗电流，因此，它的噪声较大。又如，PIN型或雪崩型光敏二极管与扩散型PN结光敏二极管相比具有很短的时间响应。因此，在使用光敏二极管进要了解其类型及性能是非常重要的。 光敏二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。与光电池相比，它的突出特点是结面积小，因此它的频率特性非常好。光生电动势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为数微安到数十微安。按材料分，光敏二极管有硅、砷化铅光敏二极管等许多种，由于硅材料的暗电流温度系数较小，工艺较成熟，因此在实验际中使用最为广泛。 光敏三极管与光敏二极管的工作原理基本相同，工作原理都是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上，PN结参与了光电转换过程。 2、光电二三极管的工作原理 光生伏特效应：光生伏特效应是一种内光电效应。光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。对于不均匀半导体，由于同质的半导体不同的掺杂形成的PN结、不同质的半导体组成的异质结或金属与半导体接触形成的肖特基势垒都存在内建电场，当光照射这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产生了光生电子和空穴，它们在内建电场的作用下就会向相反的方向移动和聚集而产生电位差。这种现象是最重要的一类光生伏特效应。均匀半导体体内没有内建电场，当光照射时，因眼光生载流子浓度梯度不同而引起载流子的扩散运动，且电子和空穴的迁移率不相等，使两种载流
光电二极管检测电路的工作原理及设计方案
?光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换，但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景，单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理，然后如果读者有机会的话，可以运行一个SP IC E模拟程序，它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法是将一个光电二极管跨接在一个CMOS 输入放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中，光电二极管工作于光致电压（零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之产生的电流ISC从负极流至正极，如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高，二极管产生的电流将流过反馈电阻RF。输出电压会随着电阻RF两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压，即 VOUT = ISC ×RF （1）
图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中，VOUT是运算放大器输出端的电压，单位为V;ISC是光电二极管产生的电流，单位为A;RF是放大器电路中的反馈电阻，单位为W 。图1中的CRF是电阻RF的寄生电容和电路板的分布电容，且具有一个单极点为1/（2p RF CRF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件RF。用这个模拟程序，激励信号源为ISC，输出端电压为VOUT。 此例中，RF的缺省值为1MW ，CRF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后，传输函数中的极点等于1/（2p RFCRF），即318.3kHz。改变RF可在信号频响范围内改变极点。 遗憾的是，如果不考虑稳定性和噪声等问题，这种简单的方案通常是注定要失败的。例如，系统的阶跃响应会产生一个其数量难以接受的振铃输出，更坏的情况是电路可能会产生振荡。如果解决了系统不稳定的问题，输出响应可能仍然会有足够大的“噪声”而得不到可靠的结果。 实现一个稳定的光检测电路从理解电路的变量、分析整个传输函数和设计一个可靠的电路方案开始。设计时首先考虑的是为光电二极管响应选择合适的电阻。第二是分析稳定性。然后应评估系统的稳定性并分析输出噪声，根据每种应用的要求将之调节到适当的水平。 这种电路中有三个设计变量需要考虑分析，它们是：光电二极管、放大器和R//C反馈网络。首先选择光电二极管，虽然它具有良好的光响应特性，但二极管的寄生电容将对电路的噪声增益和稳定性有极大的影响。另外，光电二极管的并联寄生电阻在很宽的温度范围内变化，会在温度极限时导致不稳定和噪声问题。为了保持良好的线性性能及较低的失调误差，运放应该具有一个较小的输入偏置电流（例如CMOS工艺）。此外，输入噪声电压、输入共模电容和差分电容也对系统的稳定性和整体精度产生不利的影响。最后，R//C反馈网络用于建立电路的增益。该网络也会对电路的稳定性和噪声性能产生影响。 2 光检测电路的SPICE模型
光敏二极管特性实验
光敏二极管特性实验 一、实验目的 通过实验掌握光敏二极管的工作原理及相关特性，了解光敏二极管特性曲线及其测试电路的设计。 二、基本原理 1、光敏二极管工作原理（详见红外功率可调光源曲线标定实验）。 2、光敏二极管特性实验原理 光敏二极管在应用中一般加反向偏压，使得其产生的光电流只与光照度有关。图1-9中，当光照为零时，光敏二极管不会产生广生载流子，也没有其他电流流过，整个电路处于截止状态；当有光照时，光敏二极管产生光电流，由于放大器的正负输入端虚短，放大器输出负电压。再二级放大，然后用跟随器输出。并且光照越强，输出电压越大。 R2680 总线模块 光电检测综合试验台的总 线模块 +5V -5V AGND +12V -12V 222426 40 PIN1 光敏二极管 PIN2 电流流向 A V GND VCC Vin ADJ R11K LED C9013R2680 +5V 0~5V GND 实验台 R V A AGND
2_+ 3+5V -5V 74 2_+ 3+5V -5V 74 2_+ 3+5V -5V 74 -5V +5V 2224AGND 40 图1-9 光敏二极管特性测试图 三、实验仪器 1、光电检测与信息处理实验台（一套） 2、红外功率可调光源探头 3、红外接收探头 4、光电信息转换器件参数测试实验板 5、万用表 6、光学支架 7、导线若干 四、实验步骤 1、按图1-9连接实验线路。 （1）把光电信息转换器件参数测试实验板插在光电检测综合试验台的总线模块PLUG64－1、PLUG64－2、PLUG64－3的任意位置上； （2）由光敏二极管探头的两个输出接线端PIN1、PIN2分别引出导线连接到试验台的总线模块的22（负极）和24
二极管特性及应用实验
姓名班级________学号____ 实验日期__节次教师签字成绩 二极管的特性研究及其应用一．实验目的 1.通过二极管的伏安特性的绘制，加强对二极管单向导通特性的理解； 2.了解二极管在电路中的一些应用； 3，学习自主设计并分析实验 二．实验内容： 1.二极管伏安特性曲线绘制； 2.交流条件下二极管电压波形仿真； 3.二极管应用电路 三．实验仪器 稳压电源RIGOL DS5102CA FLUKE190型测试仪；1N4001二极管若干； 函数信号发生器 TFG2020G ；电阻若干； 四．实验步骤 1.二极管伏安特性曲线绘制； 二极管测试电路
（1）创建电路二极管测试电路； （2）调整V1电源的电压值，记录二极管的电流与电压并填入表1； （3）调整V2电源的电压值，记录二极管的电流与电压并填入表2； （4）根据实验结果，绘制二极管的伏安特性。 表一 V1 200mv 300mv 400mv 500mv 600mv 700mv 800mv 1v 2v 3v ID VD 表二 V1 I D V D 绘制U—I图: 2．交流条件下二极管电压波形仿真；
D1 1N4001GP R1 100Ω V16 Vpk 100 Hz 0° XSC1 A B C D G T 2 1 仿真电路图 仿真结果
3.二极管应用电路 （1）桥式整流电路 D1 1N4001 D2 1N4001 D3 1N4001 D4 1N4001 V115 Vpk 60 Hz 0° R1100Ω 1 3 45 用示波器测量R1两端波形，并记录
桥式整流电路仿真 D1 1N4001 D21N4001 D3 1N4001 D41N4001 V115 Vpk 60 Hz 0° R12kΩ 4 XSC1 A B Ext Trig + + _ _ + _ 3 2 仿真结果
实验四 PIN光电二极管特性测试
实验四PIN光电二极管特性测试 一、实验目的 1、学习掌握PIN光电二极管的工作原理 2、学习掌握PIN光电二极管的基本特性 3、掌握PIN光电二极管特性测试的方法 4、了解PIN光电二极管的基本应用 二、实验内容 1、PIN光电二极管暗电流测试实验 2、PIN光电二极管光电流测试实验 3、PIN光电二极管伏安特性测试实验 4、PIN光电二极管光电特性测试实验 5、PIN光电二极管时间响应特性测试实验 6、PIN光电二极管光谱特性测试实验 三、实验器材 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、PIN 光电二极管及封装组件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 光电探测器PIN管的静态特性测量是指PIN光电二极管在无光照时的P-N结正负极、击穿电压、暗电流Id以及在有光照的情况下的输入光功率和输出电流的关系（或者响应度），光谱响应特性的测量。 图5-1 PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布 图5-1是PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布。在高掺杂P型和N型半导体之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料，称为I层。在半导体PN结中，掺杂浓度和耗尽层宽度有如下关系： LP/LN=DN/DP
其中：DP和DN 分别为P区和N区的掺杂浓度；LP和LN分别为P区和N区的耗尽层的宽度。在PIN中，如对于P层和I层(低掺杂N型半导体)形成的PN结，由于I层近于本征半导体，有 DN<
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