实验四 pin光电二极管特性测试

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1、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

2、）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5-1PIN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

3、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<

4、增大，PIN的响应速度将会下降。因此耗尽层宽度W需在响应速度和量子效率之间进行优化。如采用类似于半导体激光器中的双异质结构，则PIN的性能可以大为改善。在这种设计中，P区、N区和I区的带隙能量的选择，使得光吸收只发生在I区，完全消除了扩散电流的影响。在光纤通信系统的应用中，常采用InGaAs材料制成I区和InP材料制成P区及N区的PIN光电二极管，图3为它的结构。InP材料的带隙为1.35eV，大于InGaAs的带隙，对于波长在1.3～1.6um范围的光是透明的，而InGaAs的I区对1.3～1.6um的光表现为较强的吸收，几微米的宽度就可以获得较高响应度。在器件的受光面一般要镀增透膜以减

5、弱光在端面上的反射。InGaAs的光探测器一般用于1.3um和1.55um的光纤通信系统中。图5-2InGaAsPIN光电二极管的结构从光电二极管的工作原理可以知道，只有当光子能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg才能产生光电效应，即hf>Eg因此对于不同的半导体材料，均存在着相应的下限频率fc或上限波长λc，λc亦称为光电二极管的截止波长。只有入射光的波长小于λc时，光电二极管才能产生光电效应。Si-PIN的截止波长为1.06um，故可用于0.85um的短波长光检测；Ge-PIN和InGaAs-PIN的截止波长为1.7um，所以它们可用于1.3um、1.55um的长波长光检测。当入射光波长

6、远远小于截止波长时，光电转换效率会大大下降。因此，PIN光电二极管是对一定波长范围内的入射光进行光电转换，这一波长范围就是PIN光电二极管的波长响应范围。响应度和量子效率表征了二极管的光电转换效率。响应度R定义为R=IP/Pin其中：Pin为入射到光电二极管上的光功率；IP为在该入射功率下光电二极管产生的光电流。R的单位为A／W。量子效率η定义为η=光电转换产生的有效电子-空穴对数/入射光子数=(IP/q)/(Pin/hf)=R(hf/q)响应速度是光电二极管的一个重要参数。响应速度通常用响应时间来表示。响应时间为光电二极管对矩形光脉冲的响应——电脉冲的上升或下降时间。响应速度主要受光生载

7、流子的扩散时间、光生载流子通过耗尽层的渡越时间及其结电容的影响。光电二极管的线性饱和指的是它有一定的功率检测范围，当入射功率太强时，光电流和光功率将不成正比，从而产生非线性失真。PIN光电二极管有非常宽的线性工作区，当入射光功率低于mW量级时，器件不会发生饱和。无光照时，PIN作为一种PN结器件，在反向偏压下也有反向电流流过，这一电流称为PIN光电二极管的暗电流。它主要由PN结内热效应产生的电子一空穴对形成。当偏置电压增