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） 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5-1 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：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DNDPLPEg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c，c亦称为光电二极管的截止波长。只有入射光的波长小于c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：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AW。量子效率定义为=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1030V。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、 实验步骤与数据记录1、光电二极管暗电流测试实验装置原理框图如图6-3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。这样，实验操作过程中，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，将图6-3中的RL改为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，如图12所示。 图5-3（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0。（4）选用直流电源2，将电压表直接与电源两端相连，打开电源调节直流电源电位器，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2-2所示的电路连接电路图，负载RL选择RL21=20M。（6）打开电源开关，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。所得的暗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。数据：V= V R= M 得 L= nA 2、PIN光电二极管光电流测试实验装置原理图如图5-3所示。 图5-4（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），缓慢调节直流调节电位器到电压表显示为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。实验结果：I光= vf3、PIN光电二极管光照特性（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，调节直流电源电位器，直到显示值为15V左右，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。 光照度（Lx）0100300500700900光生电流（A） （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.实验结论：如图象可知光生电流随光照度增大而增大。（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。（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，调节电源电压电位器，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）