PIN光电二极管综合实验

PIN 光电二极管综合实验仪

GCPIN-B

实

验

指

导

书

(V1.0)

武汉光驰科技有限公司

WUHAN GUANGCHI TECHNOLOGY CO.,LTD

目 录

第一章 PIN光电二极管综合实验仪说明 ...................... - 3 -

一、产品介绍 ........................................... - 3 -

二、实验仪说明 ......................................... - 3 -

1、电子电路部分结构分布 ............................... - 3 -

2、光通路组件 . ........................................ - 4 -

第二章 实验指南 . ......................................... - 5 -

一、实验目的 ........................................... - 5 -

二、实验内容 ........................................... - 5 -

三、实验仪器 ........................................... - 5 -

四、实验原理 ........................................... - 6 -

五、实验准备 ........................................... - 8 -

六、实验步骤 ........................................... - 8 -

1、PIN 光电二极管暗电流测试 ........................... - 8 -

2、PIN 光电二极管光电流测试 ........................... - 9 -

3、PIN 光电二极管光照特性 ............................. - 9 -

4、PIN 光电二极管伏安特性 ............................ - 10 -

5、PIN 光电二极管时间响应特性测试 .................... - 10 -

6、PIN 光电二极管光谱特性测试 ........................ - 11 -

第一章 PIN光电二极管综合实验仪说明

一、产品介绍

对于以高速响应为目标的光电二极管来说，未来减少p-n 节的电容，在p 与n 之间设计一个i 层的高阻抗层结构，即在n 型硅片上制作一层低掺杂的高阻层，即i 层（本征层）在该层上在形成p 层。其工作原理：来自p 层外侧的入射光，主要由i 层吸收，从而产生空穴和电子。使用元件时要外加反向偏压，以使空穴朝p 层移动，而电子朝n 层移动，再由两电极流到外电路。PIN 硅光电二极管正常工作时，外加反向偏压使整个i 层耗尽，i 层有接近100%的量子效率，此外，比通常光电二极管宽的多的i 层耗尽层，使得PIN 管有小的多的单位面积结电容，因此，PIN 管兼有灵敏度和响应速度的优点。但由于i 层的存在，PIN 型光电二极管的光谱灵敏度在短波方向减弱，使短波限红外，使用于近红外区域是最大灵敏度波长为1um 。PIN 型光电二极管可用于：电视摄像机等遥控装置、伺服跟踪信号检测器等。它的外形多作成半圆形的塑料透镜，所以其受光方向多为圆形。

GCPIN-B 型光电PIN 光电二极管综合实验仪主要研究PIN 光电二极管的基本特性，如光电流、暗电流、光照特性、光谱特性、伏安特性及时间相应特性等，以及这种光敏器件与其他光电器件的应用差别。

二、实验仪说明

1、电子电路部分结构分布

电子电路部分功能说明

（1）电压表：独立电压表，可切换三档，200mV ，2V ，20V ，通过拨段开关进行调节，白色所指

示的位置即为所对应的档位。

“+”“-”分别对应电压表的“正”“负”输入极。

（2）电流表：独立电流表，可切换四档，200uA ，2mA ，20mA ，200mA 通过拨段开关进行调节，白

色所指示的位置即为所对应的档位。

“+”“-”分别对应电压表的“正”“负”输入极。

（3）照度计电源：红色为照度计电源正极，黑色为照度计电源负极。

（４）直流电源：0～12V 可调，“0～12V ”为直流电源的正极，另一端为负极。

（５）信号测试单元：

TP1：与T1直接相连

TP2：与T2直接相连

TP ：光脉冲调制信号测试端

注：信号测试单元的GND 与直流电源0～12V 不共地。

2、光通路组件

光调制控制输入端

图1 光电二三极管光通路组件

功能说明：

分光镜：50%透过50%反射镜，将平行光一半给照度计探头，一半给等测光器件，实验测试方便简单，照度计可实时检测出等测器件所接收的光照度。

光器件输出端：红色——PIN 光电二极管“P ”极。

黑色——PIN 光电二极管“N ”极。

第二章 实验指南

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、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

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：

L P /LN = DN /DP

其中：D P 和D N 分别为P 区和N 区的掺杂浓度；L P 和L N 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 层近似于本征半导体，有

D N

L P

即在I 层中形成很宽的耗尽层。由于I 层有较高的电阻，因此电压基本上降落在该区，使得耗尽层宽度W 可以得到加宽，并且可以通过控制I 层的厚度来改变。对于高掺杂的N 型薄层，产生于其中的光生载流子将很快被复合掉，因此这一层仅是为了减少接触电阻而加的附加层。

要使入射光功率有效地转换成光电流，首先必须使入射光能在耗尽层内被吸收，这要求耗尽层宽度W 足够宽。但是随着W 的增大，在耗尽层的载流子渡越时间τcr 也会增大，τcr 与W 的关系为

τcr =W/v

式中：v 为载流子的平均漂移速度。由于τcr 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5-2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5-2 InGaAs PIN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E g 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f c 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：P in 为入射到光电二极管上的光功率；I P 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。当偏置电压增大时，暗电流增大。当反向偏压增大到一定值时，暗电流激增，发生了反向击穿(即为非破坏性的雪崩击穿，如果此时不能尽快散热，就会变为破坏性的齐纳击穿) 。发生反向击穿的电压值称为反向击穿电压。Si-PIN 的典型击穿电压值为100多伏。PIN 工作时的反向偏置都远离击穿电压，一般为10～30V 。

五、实验准备

1、实验之前，请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；

2、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；

3、连线之前保证电源关闭。

4、实验过程中，请勿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。

六、实验步骤

1、PIN 光电二极管暗电流测试

实验装置原理框图如图5-3所示，但是在实际操作过程中，光电二极管和光电三极管的暗电流非常小，只有nA 数量级，因此实验中对电流表的要求较高。本实验中，采用电路中串联大电阻的方法，图5-3中的RL 选用RL21=20M，再利用欧姆定律计算出支路中的电流即为所测器件的暗电流。

I 暗 V /RL

图5-3

（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将照度计电源线与面板上的照度计电源正负极对应相连（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用彩排数据线相连。

（2）将三掷开关BM2拨到“静态”，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0。

（4）选用直流电源2，将电压表直接与电源2两输入端相连，打开电源，调节直流电源2，使得电压输出为15V ，关闭电源。

（注意：在下面的实验操作中请不要动电源调节电位器，以保证直流电源输出电压不变）

（5）按图5-3所示的电路连接电路图，负载RL 选择RL21=20M。

（6）打开电源，等电压表读数稳定后测得负载电阻RL 上的压降V 暗，则暗电流L 暗=V暗/RL。所得的电流即为偏置电压在15V 时的暗电流。

(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

需一段时间后才可稳定)

（7）实验完毕，直流电源调至最小, 关闭电源，拆除所有连线。

2、PIN 光电二极管光电流测试

实验装置原理图如图5-4所示。

图5-4

（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将照度计电源线与面板上的照度计电源正负极对应相连（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用彩排数据线相连。

（2）将三掷开关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5-4连接电路图，直流电源选择电源2，RL 取RL6=1K欧。

（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2到电压表显示为15V ，请出此时电流表的读数，即为PIN 光电二极管在偏压15V ，光照300lx 时的光电流。

（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。

3、PIN 光电二极管光照特性

（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将照度计电源线与面板上的照度计电源正负极对应相连（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用彩排数据线相连。

（2）将三掷开关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5-4所示的电路连接电路图，直流电源选择电源2，负载RL 选择RL6=1K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2电位器，直到显示值为15V 左右，顺时针调节光照度电位器，增大光照度，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。

（5）根据上表中实验数据，作出PIN 光电二极管在15V 偏压下的光照特性曲线, 并进行分析。

（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。

4、PIN 光电二极管伏安特性

（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将照度计电源线与面板上的照度计电源正负极对应相连（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用彩排数据线相连。

（2）将三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。

（4）按图5-4所示的电路连接电路图，直流电源选择电源1，负载RL 选择RL6=1K欧。

（5）打开电源，顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为500Lx ，保持光照度不变，调节电源电压1，使反向偏压为0V 、2V ，4V 、6V 、8V 、10V 、15V 、20V 时的电流表读数，填入下表，关闭电源。

（注意：偏置电压不能长时间高于30V ，以免使PIN 光电二极管劣化）

（6）重复上述步骤, 测量PIN 光电二极管在800Lx 照度下，不同偏压下的光生电流值。

（7）根据上面所测试的实验数据, 在同一坐标轴作出光照在500lx 和800lx 时的伏安特性曲线, 并进行分析比较。

（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。

5、PIN 光电二极管时间响应特性测试

（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将照度计电源线与面板上的照度计电源正负极对应相连（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用彩排数据线相连。

（2）将三掷开关BM2拨到“脉冲”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。

（3）按图5-5所示的电路连接电路图，直流电源选择电源2, 负载RL 选择RL=1K欧。

（4）示波器的测试点应为A 点，为了测试方便，可把示波器的测试点使用迭插头对引至信号测试区的TP1和TP2。

图5-5

（5）打开电源，白光对应的发光二极管亮，其余的发光二极管不亮。用示波器的第一通道接TP 和GND （即为输入的脉冲光信号），用示波器的第二通道接TP2和TP1。

（6）观察示波器两个通道的信号，缓慢调节直流电源2，直到示波器上观察到信号清晰为止，并作出实验记录（描绘出两个通道的波形）。

（7）缓慢调节脉冲宽度，增大输入信号的脉冲宽度，观察示波器两个通道信号的变化，并作出实验记录（描绘出两个通道的波形）并进行分析。

（8）实验完毕，关闭电源，拆除导线。

6、PIN 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光辐射的响应能力。定义为在波长为λ的单位入射辐射功率下，光电探测器输出的信号电压或电流信号。表达式如下：

ℜv (λ) =

V (λ) I (λ)

或ℜi (λ) = P (λ) P (λ)

式中，P (λ) 为波长为λ时的入射光功率；V (λ) 为光电探测器在入射光功率P (λ) 作用下的输出信号电压；I (λ) 则为输出信号电流。

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 ℜ(λ) =

UK

ℜf (λ) U f

式中，U f 为基准探测器显示的电压值，K 为基准电压的放大倍数，ℜf (λ) 为基准探测器的响应度。在测试过程中, U f 取相同值, 则实验所测的响应度大小由ℜ(λ) =U ℜf (λ) 确定. 下图为基准探测器的光谱响应曲线。

图5-6 基准探测器的光谱响应曲线

（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将照度计电源线与面板上的照度计电源正负极对应相连（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用彩排数据线相连。 （2）将三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。 （3）将直流电源2输出直接与电压表相连，打开电源，调节电源2至电压表为10V ，关闭电源。

（4）按如图5-7连接电路图，RL 取RL=100K欧。

图5-7

（5）打开电源，缓慢调节光照度调节电位器到最大，将S2，S3，S4，S5，S6，S7依次拨上后拨下，分别记录照度计所测数据，并将其中最小值“E ”作为参考。 （注意：请不要同时将两个拨位开关拨上）

（6）S2拨上，缓慢调节电位器直到照度计显示为E ，将电压表测试所得的数据填入下表，再将S2拨下。

（7）依次将S3、S4、S5、S6、S7拨上后拨下, 分别测试出橙光，黄光，绿光，蓝光，紫光在光照度E 下时电压表的读数，填入下表。

（8）根据所测试得到的数据，做出PIN 光电二极管的光谱特性曲线。