【正文】 電流、光電流、伏安特性、雪崩電壓、光電特性、光譜特性等。 Semiconductor。APD之所以在光通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是因為APD具有較高的內(nèi)部增益，在一些高速系統(tǒng)中可以提高接收器的靈敏度。但遺憾的是基于硅禁帶寬度較大的固有缺陷，使得傳統(tǒng)的硅基APD在近紅外波段的響應(yīng)度一直沒能滿足人們的需求。從而導(dǎo)致由間接半導(dǎo)體材料制做的APD器件在截止波長附近吸收效率非常低。因此，拓寬硅基光電探測器件的探測波長范圍及探測效率，不僅成為一個較為熱點的研究領(lǐng)域，引起了各國科研工作者的興趣，同時也成為光通信領(lǐng)域迫切需要克服的難題，是市場應(yīng)用所需迫切解決的問題。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 APD的發(fā)展概況一個世紀(jì)以前光探測技術(shù)就已經(jīng)存在于人們的生產(chǎn)和生活當(dāng)中，并且改變著人類傳遞和接收信息的方式。第一個關(guān)于雪崩光電二極管的專利授予在六十年代末，七十年代初。圖 11 日本第一個雪崩光電二極管簡圖 The first APD diagram of Japanse圖 12 Mcintyre和Haitz發(fā)明的APD簡圖 The APD of Mcintyre and Haitz invented第一個Geiger模式的APD的性能盡管并不很理想，但是它在幾個反向偏電壓下已經(jīng)能夠探測出單光子，此項研究奠定了對APD器件深入研究的基礎(chǔ)。1990年由德國發(fā)明了MRS結(jié)構(gòu)的APD(MetalResistorSemiconductor)，MRS APD 的結(jié)構(gòu)如圖13所示，是由一層很薄()的金屬Ti層，下邊一層為電阻是 3080M?/cm的SiC或者SixOy層，這層用來降低由于局部電場效應(yīng)引起的蓋革擊穿，這種結(jié)構(gòu)的制作要求極為嚴(yán)格。這種結(jié)構(gòu)后來被稱為“黑硅”，哈佛大學(xué)研究小組發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)硅材料的光吸收特性發(fā)生了很大的改變，晶體硅的吸收波長僅僅在200nm800nm，在1000nm處幾乎截止，但是經(jīng)過飛秒激光輻照的這種硅材料的光吸收波長擴(kuò)寬到2500nm，而且在整個250nm2500nm之間光的吸收高達(dá)到90%，這種突破性發(fā)現(xiàn)，對于硅材料的應(yīng)用開辟了更為廣闊的前景。不久，Richard A. Myers等人也研究了經(jīng)過飛秒激光微處理后的硅基APD在近紅外波段的量子響應(yīng)效率，2006年發(fā)表的文獻(xiàn)得出了與E. Mazur等人基本一致的結(jié)論。與光電倍增管(PMTs)相比雪崩光電二級管具有更高的量子效率，更高的總體敏感性，更高的信噪比。Si和Ge是現(xiàn)代社會廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體材料。HgCdTe是HgTe和CdTe兩種材料的固溶體。InGaAs材料與InP的晶格結(jié)構(gòu)非常匹配所以可以用InP作為APD器件的基底。關(guān)于Si和Ge材料的APD，我們主要介紹Si材料的APD。本文在分析APD工作原理的基礎(chǔ)上，在實驗室實際測試了APD光電二極管暗電流、APD光電二極管光電流、APD光電二極管伏安特性、APD光電二極管雪崩電壓、APD光電二極管光電特性、APD光電二極管時間響應(yīng)特性、APD光電二極管光譜特性測試等實驗。APD工作在大的反偏壓下，當(dāng)反偏壓加大到某一值后，耗盡層從N+P結(jié)區(qū)一直擴(kuò)展(或稱拉通)到P+區(qū)，包括了中間的P層區(qū)和I區(qū)。當(dāng)入射光照射時，由于雪崩區(qū)較窄，不能充分吸收光子，相當(dāng)多的光子進(jìn)入了I區(qū)。而所有的初級空穴則直接被P+層吸收。每一個初級光生電子空穴對在什么位置產(chǎn)生，在什么位置發(fā)生碰撞電離，總共碰撞出多少二次電子一空穴對，這些都是隨機(jī)的。由于雪崩倍增過程是一個隨機(jī)過程，因而倍增因子是在一個平均之上隨機(jī)起伏的量，雪崩倍增因子M的定義應(yīng)理解為統(tǒng)計平均倍增因子。倍增噪聲的產(chǎn)生主要與兩個過程有關(guān)，即光子被吸收產(chǎn)生初級電子空穴對的隨機(jī)性和在增益區(qū)產(chǎn)生二次電子空穴對的隨機(jī)性。當(dāng)光功率達(dá)到幾μW以上時，輸出電流和入射光功率之間的線性關(guān)系變壞，能夠達(dá)到的最大倍增增益也降低了，即產(chǎn)生了飽和現(xiàn)象。在低偏壓下APD沒有倍增效應(yīng)。因此APD的偏置電壓接近擊穿電壓，一般在數(shù)十伏到數(shù)百伏。而渡越時間的影響相對比較大，其余因素可通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計使影響減至很小。 圖31 實驗箱 圖32 實驗面板 Fig31the experimental box fig 32 the experimental panel experimental boxexperiment box 圖33APD雪崩光電二極管 圖34 電源線及導(dǎo)線Fig33 the APD fig34 the power cord and wireway 圖35脈沖寬度及光照度調(diào)節(jié)面板 圖36照度計 Fig 35 the panel of pulse width and illuminomenter Fig36 the illuminomenter要完成本實驗的相關(guān)參數(shù)測試需要如下儀器：（1）光電探測綜合實驗儀1個；（2）光通路組件1套；（3）光照度計1臺；（4）光敏電阻及封裝組件1套；（5）迭插頭導(dǎo)線（紅色，50cm）10根；（6）迭插頭導(dǎo)線（黑色，50cm）10根；（7）三相電源線 1根；（8）實驗指導(dǎo)書1本；（9）示波器1臺。碰撞電離產(chǎn)生的電子一空穴對在強(qiáng)電場作用下同樣又被加速，重復(fù)前一過程，這樣多次碰撞電離的結(jié)果使載流子迅速增加，電流也迅速增大，這個物理過程稱為雪崩倍增效應(yīng)。（2）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)特性”，將撥位開關(guān)S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。)（6）實驗完畢，直流電源調(diào)至最小，關(guān)閉電源，拆除所有連線。（4）打開電源，緩慢調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)電位器，直到光照為300lx（約為環(huán)境光照），緩慢調(diào)節(jié)直流電源電位器，直到微安表顯示有讀數(shù)有較大變化為止，記錄此時電壓表U和電流表的讀數(shù)I。（2）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。) 表33 APD光電二極管伏安特性Table33 the volt ampere characteristic of the APD 照度200lx偏壓U（V）050100120130140150160光生電流I（μA）030015003300(4)根據(jù)表實驗結(jié)果，作出在200lx光照度下的APD光電二極管伏安特性曲線。（由于APD雪崩光電二極管的個性差異，不同的APD光電二極管的雪崩電壓有050V差異，測試的數(shù)據(jù)也有很大差異，屬正常現(xiàn)象。 APD光電二極管光照特性實驗裝置原理框圖如圖37所示。（4）將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置。圖310 APD光電二極管的光照特性曲線Fig310 the illumination performance of the APD分析圖310：由APD的光照特性曲線可知，當(dāng)加此在雪崩光電二極管的反向偏置電壓為140V時，APD的光生電流和光照度呈一次函數(shù)關(guān)系，即光照特性曲線呈現(xiàn)出很好的線性趨勢，這個特性可以將APD廣泛應(yīng)用于與光電轉(zhuǎn)換的傳感器中。光譜響應(yīng)度是光電探測器對單色入射輻射的響應(yīng)能力。在測試過程中，取相同值，則實驗所測測試的響應(yīng)度大小由的大小確定。（3）按圖37所示的電路連接電路圖，直流電源選擇電源1，負(fù)載RL選擇RL4=1K歐。表36 APD光電二極管的光譜特性測試Table36 the spectral characteristic test of the APD電壓(V)波長（nm）紅（630）橙（605）黃（585）綠（520）藍(lán)（460）紫（400）基準(zhǔn)響應(yīng)度光電流(μA)響應(yīng)度9135（7）根據(jù)所測試得到的數(shù)據(jù)，繪出APD光電二極管的光譜特性曲線如下：圖312 APD光電二極管的光譜特性曲線Fig312 the curve of the APD’s spectral characteristic test（8）實驗完畢，將光照度調(diào)至最小，直流電源調(diào)至最小，關(guān)閉電源，拆除所有連線。為了便于分析該電路，我們把圖41拆分成兩部分如圖42，并且更加詳細(xì)的標(biāo)出了各個引腳的名稱以及它的功能和作用。 工作原理：模塊在無光條件或者光強(qiáng)達(dá)不到設(shè)定閾值時，DO口輸出高電平，當(dāng)外界環(huán)境光強(qiáng)超過設(shè)定閾值時，模塊D0輸出低電平；小板數(shù)字量輸出D0與單片機(jī)直接相連，通過單片機(jī)來檢測高低電平，由此來檢測環(huán)境的光強(qiáng)改變；小板數(shù)字量輸出DO可以直接驅(qū)動繼電器模塊，由此可以組成一個光電開關(guān)；小板模擬量輸出AO可以和AD模塊相連，通過AD轉(zhuǎn)換，可以獲得環(huán)境光強(qiáng)更精準(zhǔn)的數(shù)值。2mV；●共模輸入電壓范圍寬，Vic=0～；●輸出與TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；●輸出可以用開路集電極連接“或”門；LM393采用雙列直插8腳塑料封裝（DIP8）和微形的雙列8腳塑料封裝（SOP8）如圖43。用近紅外激光筆照射雪崩光電二極管，開關(guān)指示燈會到點亮狀態(tài)。串口發(fā)送數(shù)據(jù)波特率：9600。在雪崩光電二極管的發(fā)展歷程方面，參閱了大量資料，通過網(wǎng)絡(luò)獲取了大量信息。反向擊穿電壓越高，雪崩光電管的噪聲就越低。：在雪崩電壓附近光生電流隨光照度呈線性增加。本應(yīng)用有以下特點：對近紅外光的檢測有較高精度，并能通過LCD形象直觀的顯示出來；，使整個系統(tǒng)功耗很低；簡單合理的程序設(shè)計使整個系統(tǒng)非常穩(wěn)定；各個模塊的體積都比較小，使整個系統(tǒng)的體積較小。他高深的學(xué)術(shù)造詣、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐富的實踐經(jīng)驗及誨人不倦的育人精神使我受益匪淺，并將使我終生受益。sbit