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 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各项参数如 暗电流 伏安特性 雪崩电压 等 2014 4 1 4 25 4 设计利用 APD 光电二极管的相关检测电路 2014 4 26 4 31 5 制作调试所设计的电路 2014 5 10 5 20 6 撰写论文 2014 5 21 6 4 7 准备论文答辩 2014 6 5 6 10 注 本表在学生接受任务时下达 摘 要 I 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 II 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 四川理工学院毕业设计 论文 III 目 录 摘 要 I Abstract II 目 录 III 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 四川理工学院毕业设计 论文 1 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 引言 2 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 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 四川理工学院毕业设计 论文 3 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 SLIKTM 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 4 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 01 m 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 四川理工学院毕业设计 论文 5 大学研究小组发现 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 引言 6 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 四川理工学院毕业设计 论文 7 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 雪崩光电二极管的基本原理 8 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 IP IP0 2 1 1 式中 I P 是 APD 的输出平均电流 IP0 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 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 IP P q hf 2 1 2 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 W 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 VB 时 电流倍增最大 此时称 APD 被击穿 电压 VB 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 四川理工学院毕业设计 论文 27 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 APD 光电二极管特性测试实验 10 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 四川理工学院毕业设计 论文 11 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 APD 光电二极管特性测试实验 12 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 RL 选择 RL11 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 Table3 1 the dark current of the APD 照度 lx 0 00 U V 72 1 I A 1 0 四川理工学院毕业设计 论文 13 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 RL 选择 RL11 100K 欧 电流表选择 200 A 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 Table3 2 the photocurrent of the APD 照度 lx 300 0 U V 100 0 I A 3 0 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 RL 选择 RL11 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 APD 光电二极管特性测试实验 14 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 表3 3 APD光电二极管伏安特性 Table3 3 the volt ampere characteristic of the APD 照度 200lx 偏压 U V 0 50 100 120 130 140 150 160 光生电流I A 0 0 1 0 3 0 9 2 5 300 1500 3300 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 四川理工学院毕业设计 论文 15 表 3 4 APD光电二极管电压测试 Table3 4 the voltage test of the APD 偏压 V 0 50 100 120 130 140 150 160 光生电流1 A 0 0 0 1 0 5 1 7 530 1750 3400 光生电流2 A 0 0 1 0 4 0 9 2 6 750 2000 3400 光生电流3 A 0 0 1 0 6 1 4 3 8 870 2300 3400 2 根据上述实验结果 下面在同一坐标轴下作出100Lx 300lx和500lx光照度下的 APD光电二极管伏安特性曲线 以便找出光电二极管的雪崩电压 图3 9 不同照度下APD光电二极管伏安特性曲线 Fig3 9 the volt ampere characteristic curve of the APD in different illumination 分析图3 9 可知 1 当电压大约在0 130V之间时 APD雪崩光电二极管无论在 光照强度为多少的条件下 光生电流几乎都为0 A 2 当反向偏压在130 150V之间 时 光生电流急剧攀升 几乎呈指数增长 3 达到雪崩电压之后 当反向偏压一定 时照度对光生电流有较大影响 且光生电流随照度增加而增加 4 当电压超过150V 之后 照度对光生电流的影响逐渐减小 最后光生电流趋于同一值 即光生电流以暗 电流为主 由图3 9 知此APD雪崩光电二极管的雪崩电压大约在130 150V之间 3 6 5 APD 光电二极管光照特性 实验装置原理框图如图 3 7 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 APD 光电二极管特性测试实验 16 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 RL 选择 RL11 100K 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前一个实验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 表 3 5 APD 光电二极管光照特性 Table3 5 the illumination performance of the APD 电压 V 140V 光照度 Lx 0 100 200 300 400 500 光生电流 A 9 7 11 5 12 7 13 5 14 3 15 0 5 根据表 3 5 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 图 3 10 APD 光电二极管的光照特性曲线 Fig3 10 the illumination performance of the APD 分析图 3 10 由 APD 的光照特性曲线可知 当加此在雪崩光电二极管的反向偏置 电压为 140V 时 APD 的光生电流和光照度呈一次函数关系 即光照特性曲线呈现出 很好的线性趋势 这个特性可以将 APD 广泛应用于与光电转换的传感器中 四川理工学院毕业设计 论文 17 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 3 6 6 APD 光电二极管光谱特性测试 当不同波长的入射光照到光电二极管上 光电二极管就有不同的灵敏度 本实验 仪采用高亮度 LED 白 红 橙 黄 绿 蓝 紫 作为光源 产生 400 630nm 离 散光谱 光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应能力 定义为在波长 的单位入 射功率的照射下 光电探测器输出的信号电压或电流信号 即为 或 PVv PIi 3 6 1 式中 为波长为 时的入射光功率 为光电探测器在入射光功率 作 P V 用下的输出信号电压 则为输出用电流表示的输出信号电流 I 本实验所采用的方法是基准探测器法 在相同光功率的辐射下 则有 3 6 2 fUK 式中 为基准探测器显示的电压值 K 为基准电压的放大倍数 为基准fU f 探测器的响应度 在测试过程中 取相同值 则实验所测测试的响应度大小由f 的大小确定 图 3 11 为基准探测器的光谱响应曲线 f 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 图 3 11 基准探测器的光谱响应曲线 Fig3 11 the spectral response curve of the ference detector 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 APD 光电二极管特性测试实验 18 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 S4 S3 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 RL 选择 RL4 1K 欧 4 打开电源 缓慢调节电位器直流电源电位器 直到电压表的读数略高 APD 光电 二极管的雪崩电压为止 5 S2 拨上 缓慢调节电位器直到照度计显示为 E 10lx 将电压表测试所得的数 据填入下表 再将 S2 拨下 6 重复操作步骤 7 分别测试出橙 黄 绿 蓝 紫在光照度 E 下电流表的 读数 填入表 3 6 表 3 6 APD 光电二极管的光谱特性测试 Table3 6 the spectral characteristic test of the APD 7 根据所测试得到的数据 绘出 APD 光电二极管的光谱特性曲线如下 图 3 12 APD 光电二极管的光谱特性曲线 电压 V 140 0 波长 nm 红 630 橙 605 黄 585 绿 520 蓝 460 紫 400 基准响应度 0 65 0 61 0 56 0 42 0 25 0 06 光电流 A 10 5 10 2 10 1 10 0 9 9 9 8 响应度 91 85 4 78 4 58 8 35 8 4 四川理工学院毕业设计 论文 19 Fig3 12 the curve of the APD s spectral characteristic test 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 APD 光电二极管的应用 20 第四章 APD 光电二极管的应用 4 1 APD 的应用概述 APD 是一种具有内增益能力的探测器 具有很高的灵敏度 被广泛地应用在超高 速光通信 信号处理 测量和传感系统中 APD 是现代高比特速率光通信系统广泛使 用的光电探测器 APD 以其体积小 工作电压低 测量波段范围宽以及在近红外波段 有较高灵敏度等一系列的优点 在弱光场测量 光子计数等相关领域中得到广泛应用 目前以 InGaAs 制作的 APD 已作为高灵敏度 高响应度的光电探测器在光纤传感等领 域广泛使用 并占据了主导地位 由于 APD 具有较高的内增益 其探测灵敏度比 PIN 型光电二极管高的特点 因此 APD 光电探测器是目前 1 06 m 激光测距机中最常用的 优良器件 本文有效利用了 APD 光电二极管在近红外波段有较高的灵敏度这一特点 设计了 一个 APD 的前置放大模块 成功制作了一个 APD 的光电传感器开关用于检测近红外 波段的装置 在实验室制作了电路硬件 调试成功了各部分功能 4 2 APD 的前置放大模块 四川理工学院毕业设计 论文 21 图 4 1 APD 前置放大模块 Fig4 1 the preamplifier module of the APD 采用了如图 4 1 的一个 APD 的前置放大模块 图中传感器为 APD 雪崩光电二极 管 为了便于分析该电路 我们把图 4 1 拆分成两部分如图 4 2 并且更加详细的标出 了各个引脚的名称以及它的功能和作用 图 4 2 APD 前置放大模块 Fig4 2 the preamplifier module of the APD 图 4 2 的一些说明 此模块可以检测周围环境光的亮度和光强 主要是近红外光 灵敏度可调节数字电位器 工作电压 VCC 为 3 3V 5V 输出量 AO 以模拟电压输出 DO 以数字开关量输出 0 和 1 另外此模块设有固定螺栓孔 方便安装 小板 PCB 尺寸为 3cm 1 6cm 工作原理 模块在无光条件或者光强达不到设定阈值时 DO 口输出高电平 当外 界环境光强超过设定阈值时 模块 D0 输出低电平 小板数字量输出 D0 与单片机直接 相连 通过单片机来检测高低电平 由此来检测环境的光强改变 小板数字量输出 DO 可以直接驱动继电器模块 由此可以组成一个光电开关 小板模拟量输出 AO 可以和 AD 模块相连 通过 AD 转换 可以获得环境光强更精准的数值 APD 光电二极管的应用 22 4 3 LM393 双电压比较器说明 1 LM393 主要特点如下 工作电源电压范围宽 单电源 双电源均可工作 单电源 2 36V 双电源 1 18V 消耗电流小 Icc 0 8mA 输入失调电压小 V IO 2mV 共模输入电压范围宽 Vic 0 Vcc 1 5V 输出与 TTL DTL MOS CMOS 等兼容 输出可以用开路集电极连接 或 门 2 LM393 引脚图及内部框图 LM393 采用双列直插 8 脚塑料封装 DIP8 和微形的双列 8 脚塑料封装 SOP8 如图 4 3 图 4 3 LM393 内部结构图 Fig4 3 the internal structure of figure of the LM393 表 4 1LM393 引脚功能排列 Table4 1 pin function of the LM393 引出端序号 功能 符号 引出端序号 功能 符号 1 输出端 1 OMT1 5 正向输入端 2 1N 2 2 反向输入端 1 1N 1 6 反向输入端 2 1N 2 3 正向输入端 1 1N 1 7 输出端 2 OMT2 4 地 GND 8 电源 VCC 四川理工学院毕业设计 论文 23 4 4 应用模块接线和现象 接线说明 使用 51 开发板与雪崩光电二极管模块测试 模块 VCC 接开发板 VCC 模块 GND 接开发板 GND 接好 VCC 和 GND 模块电源指示灯会亮 将模块 放置在近红外光源处 调节板上蓝色电位器 直到板上开关指示灯亮 然后用手遮住 雪崩光电二极管 模块开关指示灯将会灭 用近红外激光笔照射雪崩光电二极管 开 关指示灯会到点亮状态 这个现象就是说明 近红外光源可以触发模块 从而使开关 指示灯点亮 向 STC89C52 烧录一个 51 程序 用来检测光敏二极管模块数字接口 D0 的高低电平 模块 D0 接开发板 P20 口 所用单片机为 STC89C52 串口发送数据波 特率 9600 图 4 4 APD 光电开关总电路图 Fig4 4 the photoelectric switch total circuit diagram of the APD APD 光电二极管的应用 24 图 4 5 实际电路连接图 无近红外光照射 图 4 6 实际电路连接图 有近红外光照射 APD Fig4 5 the actual circuit connection diagram Fig4 6 the actual circuit connection diagram when the near infrared 现象 1 如图 4 5 模块无近红外光源触发 雪崩光电二极管处于高阻状态 经过前置 放大后 D0 口输出高电平 1 同时开关指示灯灭 LCD 上显示 WELCOME TO SUSE 2 如图 4 6 模块有近红外光源触发 雪崩光电二极管处于低阻状态 经过前 置放大后 D0 口输出低电平 0 同时开关指示灯亮 LCD 上什么都不显示 即 清屏 四川理工学院毕业设计 论文 25 第五章 结 论 本文主要介绍了雪崩光电二极管的发展历程 雪崩光电二极管的工作原理 对雪 崩光电二极管的基本参数进行了测试 设计并制作了一个把雪崩光电二极管作为光电 转换开关使用的应用 在雪崩光电二极管的发展历程方面 参阅了大量资料 通过网络获取了大量信息 并最终系统整理出来了 APD 光电二极管的大致发展历程 对于雪崩光电二极管的工作原理方面 网上虽然有很多 但是介绍的都不够系统 全面 通过本文比较系统的整理之后 已经十分清晰了全面了 在对雪崩光电二极管的特性测试方面得出了如下结论 1 APD 的暗电流 当照度为 0lx 时最小反向偏置电压引起的电流 体现了雪崩光电 二极管的反向击穿电压 反向击穿电压越高 雪崩光电管的噪声就越低 2 APD 的光生电流 在照度为 200lx 时 其光生电流的反向偏置电压比暗电流的反 向偏置电压要低 3 APD 的伏安特性 当照度为 200lx 时通过图像得知在 0 130V 时 光生电流小到 可以忽略 当电压超过 130V 时光生电流急剧增加 同理在不同照度下可以测得 APD 光电二极管的伏安特性曲线 通过曲线很容易找到雪崩电压的大致区间 4 APD 光照特性 在雪崩电压附近光生电流随光照度呈线性增加 5 APD 的光谱特性 从 400nm 开始随着波长的增加灵敏度近似成线性增加 在应用方面 由于客观因素不能够达到雪崩光电二极管的雪崩电压 只有利用 APD 雪崩光电二极管在近红外波段有较高的灵敏度这一特点 采用一个 APD 的前置放大模 块 并且有效的将近红外光信号转换成由 0 和 1 组成的数字量 通过单片机 STC89C52 对 P20 口的编程 并对该系统成功地进行了实物作品的设计和制作 本应用有以下特点 对近红外光的检测有较高精度 并能通过 LCD 形象直观的显 示出来 全 6 0V 供电的低功耗模块和单片机低功耗模式的使用 使整个系统功耗很低 简单合理的程序设计使整个系统非常稳定 各个模块的体积都比较小 使整个系统的 体积较小 本应用设计首先可以替代精度较低 功耗较大的光电传感器 可以广泛用在实验 室和工业生产的环境检测中 参考文献 26 参考文献 1 彭樟 小型半导体激光测距及应用研究 J 南京理工大学网络期刊 2010 30 31 1120 1125 2 吕华 王日 雪崩光电二极管恒虚警率控制在激光成像系统中的应用 J 红外与激 光工程 2002 17 28 7677 7682 3 宋海兰 黄辉 崔海林 黄永清 任晓敏 InGaAs Si 雪崩光电二极管 J 北京邮电 大学 2010 29 11 1003 1010 4 罗韩君 詹杰 丰元 张禹涛 基于盖革模式 APD 的光子计数激光雷达探测距离研 究 J 光电子激光 2013 17 33 5677 5680 5 R G W Brown R Jones eta1 Characterization of Silicon Avalanche Photodiodes for Photon Correlation Measurements 2 Active Quenching Applied Optics 1987 26 12 2383 2398 6 Ivan Prochazka Peltier cooled and actively quenched operation of InGaAs InP avalanche photodiodes as photon counters at 1 5 m wavelength Applied Optics 2001 40 33 6012 6017 7 李承祖等 量子通信与量子计算 国防科技大学出版社 2000 8 肖猛 APD 技术在电磁兼容测试中的应用 J 环境技术 2009 02 9 金豪喆 基于 APD 雪崩光电二极管的生物发光检测的研究与应用 J 网络出版社 2009 年 12 期 10 耿林 雪崩光电管两种应用方式分析 J 激光与红外 1992 03 11 史玖德 光电管与光电倍增管 M 1981 12 张光斌 林世鸣 渠波 胡国新 刘文楷 武术 激光雷达中雪崩光电二极管的智 能应用 J 光电子激光 2000 05 13 王永纲 APD 探测器低噪声前端电子学研究 J 核电子学与探测技术 2006 03 14 陶源 王平 尚金萍 谭红兵 APD 在紫外通信中的应用探讨 J 舰船电子工程 2010 05 15 万钧力 艾青 张雪皎 激光陀螺中雪崩光电管增益温度补偿 J 传感器与微系统 2007 年 07 期 16 万钧力 雪崩光电管偏压控制电路的研制 J 湖北三峡学院学报 1997 年 03 期 17 魏福利 王培伟 袁媛 张美 赵吉祯 光电倍增管线性电流扩展研究 J 核电子 四川理工学院毕业设计 论文 27 学与探测技术 2011 09 18 聂朝江 光电管绝对灵敏度的标定 J 激光 1981 02 19 S Cova M Ghioni etal Avalanche photodiodes and quenching circuits for single photon detection Applied Optics 1996 35 12 1956 1973 20 J G Rarity T E Wall et a1 Single photon counting for the 1300 l600 nm range by use of Peltier cooled and passively quenched InGaAs 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