【正文】 型和多孔型等多種形式，應(yīng)用靈活方便。特別是伴隨著近年來光通訊領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，尤其是1064nm波段YAG激光器的技術(shù)成熟和廣泛應(yīng)用，使得對近紅外波段的光探測器件的需求越來越大，進(jìn)而對APD在近紅外波段的高敏感度的探測提出了迫切要求。制約硅基APD在近紅外方向特別是1064nm波段發(fā)展的原因有兩個，第一，從而導(dǎo)致硅對1100nm處光的吸收截止。因此硅的吸收截止波長是1100nm。為了使硅基APD在 1064nm處獲得較高的量子效率，人們研發(fā)出使用其它半導(dǎo)體材料(鍺、銦或者砷化鎵)制作光電子器件，但是這些材料的光電子器件暗電流和噪聲比較高，價格昂貴，而且與硅的晶格不匹配。第二，APD制造工藝過程中必須引入盡可能少的缺陷以減少暗電流，從而保證器件具有較高的信噪比。最近幾年人們嘗試了各種方法來提高Si基APD 的近紅外探測效率，其中有增加Si基APD吸收層的厚度從而提高光子在Si中的吸收，然而隨著APD體積的增加，不但提高了近紅外處的量子效率，同樣增加APD器件的暗電流和噪聲，也提高了APD的響應(yīng)時間，所以用這種方法提高APD近紅外的敏感率并不是最好的方法?？傊?，拓展硅基APD器件的敏感波段，并提高硅基APD近紅外敏感探測量子探測效率，越來越成為近年來急需研究解決的問題。光探測器可以分為三大種：光電倍增管(PMT)，光電導(dǎo)元件及光電二極管。從此以后光電子器件的發(fā)展越來越趨于成熟，第一臺硅基雪崩光電二極管實(shí)現(xiàn)于六十年代后期，由CRA公司的Mcintyre和Haitz在肖克利實(shí)驗(yàn)室完成。緊接著日本于1972年也發(fā)表了相關(guān)專利，那時雪崩光電二極管已經(jīng)開始按照它們的工作方式分為線性的和蓋革模式。圖12是Mcintyre和 Haitz首次發(fā)明的APD簡圖。這種雪崩光電二極管稱為單光子雪崩光電二極管(SPAD)，隨后由PerkinElmer發(fā)明了SLIKTM結(jié)構(gòu)，不久由RMC公司設(shè)計(jì)出了單光子雪崩光電二極管陣列。這種結(jié)構(gòu)APD對近紅外光的敏感度較差，被人們稱之為可見光子探測器(VLPC)。剩下的工藝步驟即為常規(guī)的半導(dǎo)體器件的制作步驟。圖13MRSAPD結(jié)構(gòu)圖 structure of MRS APD圖14蓋革模式APD的整體結(jié)構(gòu) mode the monolithic construction of Geiger mode APD geiger mode2001年，C. Wu，C. H. crouch和E. Mazur等人發(fā)現(xiàn)飛秒激光在SF6氣體中照射硅表面后，其表面將會形成一層黑色的圓錐狀結(jié)構(gòu)。更為半導(dǎo)體器件的制作提供了一種新材料，這種材料將突破Si半導(dǎo)體器件的很多限制，拓寬了Si光電探測器的光探測范圍。2004年美國哈佛大學(xué)E. Mazur等人將這種經(jīng)過微處理的硅基材料應(yīng)用于雪崩光電二極管(APD)，將1100nm波長處的吸收量子效率提高到58%。與此同時，日本濱松也致力于將“黑硅”這種材料應(yīng)用于提高APD近紅外增強(qiáng)，并做出了相關(guān)產(chǎn)品。從第一個APD出現(xiàn)以來，APD無論是在科研領(lǐng)域還是在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域變得越來越重要。最近幾年，越來越多的制造APD的材料和技術(shù)被開發(fā)和應(yīng)用，根據(jù)各種各樣的需求，例如近紅外單光子探測、寬光譜范圍探測、較高的響應(yīng)時間等，越來越多的APD結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)出來。目前最常用的APD是Si或者Ge材料。Si和Ge很早以來就被人們深入研究并且廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的制造。APD另外還有InGaAsInP和HgCdTe材料的APD。因此可以根據(jù)Cd的不同摻雜比例來調(diào)整材料的禁帶寬度，從而獲得我們所需要的材料。InGaAsInP APD主要應(yīng)用于光纖網(wǎng)絡(luò)中的光學(xué)接收器用來接收波長為1310/1550nm的電信波長，該類型器件主要用直接帶隙半導(dǎo)體材料InGaAs制造。InGaAsInP APD的倍增層是由具有寬帶寬特性的InP材料制成。但是由于InGaAs和InP兩種材料的接觸面處存在的不完美匹配，使得APD器件因缺陷而存在很大的噪聲，極不適合蓋革模式下低噪聲的光電探測。Si材料的禁帶寬度的限制使得Si材料的APD在探測近紅外光的時候受到很大限制，越來越多的致力于擴(kuò)展Si的探測光譜的研究開始出現(xiàn)。目前已經(jīng)有的Si材料APD包括：高速高增益型、近紅外增強(qiáng)型、藍(lán)光增強(qiáng)型以及拉通型。最后設(shè)計(jì)了一個關(guān)于APD光電二極管的前置放大模塊，通過單片機(jī)驅(qū)動液晶顯示器，實(shí)現(xiàn)了光敏開關(guān)的作用。外側(cè)與電極接觸的P區(qū)和N區(qū)都進(jìn)行了重?fù)诫s，分別以P+和N+表示，在I區(qū)和N+區(qū)中間是寬度較窄的另一層P區(qū)。圖21的結(jié)構(gòu)為拉通型APD的結(jié)構(gòu)。盡管I區(qū)的電場比N+P區(qū)低得多，但也足夠高(可達(dá)2x104V/cm)，可以保證載流子達(dá)到飽和漂移速度。I區(qū)很寬，可以充分吸收光子，提高光電轉(zhuǎn)換效率。在電場的作用下，初級光生電子從I區(qū)向雪崩區(qū)漂移，并在雪崩區(qū)產(chǎn)生雪崩倍增。在雪崩區(qū)通過碰撞電離產(chǎn)生的電子空穴對稱為二次電子空穴對。圖21 APD的結(jié)構(gòu)及電場分布Fig 21 the structure of APD and its electricfield distribution碰撞電離產(chǎn)生的雪崩倍增過程本質(zhì)上是統(tǒng)計(jì)性的，即為一個復(fù)雜的隨機(jī)過程。因此與PIN光電二極管相比，APD的特性較為復(fù)雜。從定義可見，倍增因子是APD的電流增益系數(shù)。M隨反向偏壓的增大而增大，隨W的增加按指數(shù)增長。倍增噪聲是APD中的主要噪聲。這兩個過程都是不能準(zhǔn)確測定的，因此APD倍增因子只能是一個統(tǒng)計(jì)平均的概念，表示為M，它是一個復(fù)雜的隨機(jī)函數(shù)。APD的線性工作范圍沒有PIN寬，它適宜于檢測微弱光信號。APD的這種非線性轉(zhuǎn)換的原因與PIN類似，主要是器件上的偏壓不能保持恒定。它使得數(shù)字信號脈沖幅度產(chǎn)生壓縮，或使模擬信號產(chǎn)生波形畸變，因而應(yīng)設(shè)法避免。當(dāng)偏壓升高時，產(chǎn)生倍增效應(yīng)，輸出信號電流增大。如果反偏壓進(jìn)一步提高，則雪崩擊穿電流使器件對光生載流子變的越來越不敏感。須注意的是擊穿電壓并非是APD的破壞電壓，撤去該電壓后APD仍能正常工作。APD的響應(yīng)速度主要取決于載流子完成倍增過程所需要的時間，載流子越過耗盡層所需的渡越時間以及二極管結(jié)電容和負(fù)載電阻的RC時間常數(shù)等因素。第三章 APD光電二極管特性測試實(shí)驗(yàn)熟悉APD光電二極管的工作原理，以及APD光電二極管的基本特性。本實(shí)驗(yàn)主要測試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等主要參數(shù)。 APD光電二極管實(shí)驗(yàn)原理雪崩光電二極管APD—Avalanche Photodiode[5]是具有內(nèi)部增益的光檢測器，它可以用來檢測微弱光信號并獲得較大的輸出光電流。當(dāng)PN結(jié)上加高的反偏壓時，耗盡層的電場很強(qiáng)，光生載流子經(jīng)過時就會被電場加速，當(dāng)電場強(qiáng)度足夠高(約3x105V/cm)時，光生載流子獲得很大的動能，它們在高速運(yùn)動中與半導(dǎo)體晶格碰撞，使晶體中的原子電離，從而激發(fā)出新的電子一空穴對，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。實(shí)驗(yàn)之前，需要仔細(xì)閱讀光電探測綜合實(shí)驗(yàn)儀說明，弄清實(shí)驗(yàn)箱各部分的功能及撥位開關(guān)的意義；當(dāng)電壓表和電流表顯示為“1＿”是說明超過量程，應(yīng)更換為合適量程；連線之前保證電源關(guān)閉。 APD光電二極管暗電流測試圖37實(shí)驗(yàn)裝置原理框圖Fig37 the schematic diagram of the experimental device（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（3）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計(jì)，直流電源調(diào)至最小，打開照度計(jì)，此時照度計(jì)的讀數(shù)應(yīng)為0lx。(注：在測試暗電流時，應(yīng)先將光電器件置于黑暗環(huán)境中30分鐘以上，否則測試過程中電壓表需要一段時間后才可穩(wěn)定。（7）數(shù)據(jù)記錄：表31APD光電二極管暗電流Table31 the dark current of the APD照度（lx）U(V)I(μA)1．0 APD光電二極管光電流測試（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（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RL11=100K歐，電流表選擇200μA檔。I即為APD光電二極管在U偏壓下的光電流。（6）數(shù)據(jù)記錄：表32 APD光電二極管光電流Table32 the photocurrent of the APD照度（lx）U(V)I(μA)3．0 APD光電二極管伏安特性（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（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RL11=100K歐。(注:在測試過程中應(yīng)緩慢調(diào)節(jié)電位器，待電壓表和電流表穩(wěn)定后方可讀數(shù)。圖38 APD光電二極管伏安特性曲線Fig38 the volt ampere characteristic curve of the APD分析圖38：當(dāng)光照度為200lx偏壓在0130V之間時，光生電流幾乎為0。原因可能是反向偏壓達(dá)到了APD光電二極管的雪崩電壓，所以光生電流才迅速增加。） APD光電二極管雪崩電壓測試(1)根據(jù)APD伏安特性的測試方法，重復(fù)APD伏安特性測試的實(shí)驗(yàn)步驟，分別測出光照度在100lx，300lx，500lx光照度時，反向偏壓為0V、50V、100V、120V、130V、140V、150V、160V時的電流表讀數(shù)，關(guān)閉電源，數(shù)據(jù)記錄如下：表 34 APD光電二極管電壓測試Table34 the voltage test of the APD偏壓（V）050100120130140150160光生電流1（μA）0053017503400光生電流2（μA）075020003400光生電流3（μA）087023003400(2)根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，下面在同一坐標(biāo)軸下作出100Lx，300lx和500lx光照度下的APD光電二極管伏安特性曲線，以便找出光電二極管的雪崩電壓。由圖39知此APD雪崩光電二極管的雪崩電壓大約在130150V之間。（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（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RL11=100K歐。打開電源，調(diào)節(jié)直流電源電位器，直到電壓表的顯示值略高于前一個實(shí)驗(yàn)所測試的雪崩電壓即可，保持電壓不變，順時針調(diào)節(jié)該旋鈕，增大光照度值，分別記下不同照度下對應(yīng)的光生電流值，填入下表。表35 APD光電二極管光照特性Table35 the illumination performance of the APD電壓（V）140V光照度（Lx）0100200300400500光生電流（μA）（5）根據(jù)表35中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)軸中作出APD光電二極管的光照特性曲線，并進(jìn)行分析。（6）實(shí)驗(yàn)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。本實(shí)驗(yàn)儀采用高亮度LED（白、紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫）作為光源，產(chǎn)生400～630nm離散光譜。定義為在波長的單位入射功率的照射下，光電探測器輸出的信號電壓或電流信號。本實(shí)驗(yàn)所采用的方法是基準(zhǔn)探測器法，在相同光功率的輻射下，則有 （）式中，為基準(zhǔn)探測器顯示的電壓值，K為基準(zhǔn)電壓的放大倍數(shù)，為基準(zhǔn)探測器的響應(yīng)度。圖311為基準(zhǔn)探測器的光譜響應(yīng)曲線。（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，S4，S3，S5，S6，S7均撥下。（4）打開電源，緩慢調(diào)節(jié)電位器直流電源電位器,直到電壓表的讀數(shù)略高APD光電二極管的雪崩電壓為止。（6）重復(fù)操作步驟（7），分別測試出橙，黃，綠，藍(lán)，紫在光照度E下電流表的讀數(shù)，填入表36。第四章 APD光電二極管的應(yīng)用 APD的應(yīng)用概述APD是一種具有內(nèi)增益能力的探測器，具有很高的靈敏度，被廣泛地應(yīng)用在超高速光通信、信號處理、測量和傳感系統(tǒng)中；APD是現(xiàn)代高比特速率光通信系統(tǒng)廣泛使用的光電探測器；APD以其體積小、工作電壓低、測量波段范圍寬以及在近紅外波段有較高靈敏度等一系列的優(yōu)點(diǎn)，在弱光場測量、光子計(jì)數(shù)等相關(guān)領(lǐng)域中得到廣