1、 四川理工学院毕业设计（论文）APD 光电管的特性测试及应用研究学 生：XXX学 号：XXX专 业：物理学班 级：2010.1指导教师：XXX四川理工学院理学院二 O 一四 年 六 月附件 1：四川理工学院毕业设计（论文）任务书四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目：APD 光电管的特性测试及应用研究系： 物理 专业： 物理学 班级: 2010 级 1 班 学号： 学生：XXX 指导教师：XXX接受任务时间 2014.01.18 教研室主任 （签名）二级学院院长 （签名）1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求1) 学习 APD 光电二极管的工作原理；2）理解 APD 光电
2、二极管的各项参数指标并测试各项参数如: 暗电流、伏安特性、雪崩电压、光谱特性等；3）设计利用 APD 光电二极管的相关检测电路并实际制作硬件；4) 撰写毕业论文，参加答辩。2指定查阅的主要参考文献及说明1Jerald Graeme. 光电二级管及其放大电路设计 M. 北京:科学出版社. 2012.82史玖德. 光电管与光电倍增管 M. 1981 年3黄德修. 半导体光电子学( 第二版)M. 北京:电子工业出版社, 2013.1.4安毓英. 光电子技术M.北京 :电子工业出版社, 2012.12.5王庆有. 光电传感器应用技术M. 北京: 机械工业出版社,2007.10. 6其他：可网上搜索查找
3、相关中文和外文文献。3进度安排设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期1 查阅文献资料，确定方案，写文献综述 2014.1.18-3.202 学习 APD 光电二极管的工作原理 2014.3.21-3.303 理解 APD 光电二极管的各项参数指标并测试各项参数如: 暗电流、伏安特性、雪崩电压等2014.4.1-4.254 设计利用 APD 光电二极管的相关检测电路 2014.4.26-4.315 制作调试所设计的电路 2014.5.10-5.206 撰写论文 2014.5.21-6.47 准备论文答辩 2014.6.5-6.10注：本表在学生接受任务时下达摘 要I摘 要APD -Avalanc
4、he Photodiode 称为雪崩光敏二极管，在光电二极管的 P-N 结上加上反向偏压，则入射的光子被 P-N 结吸收后就会形成光电流。雪崩光敏二极管广泛应用于电磁兼容测试、生物发光检测、激光成像系统、激光测距、激光雷达、激光陀螺、红外探测、金属矿石选择等领域。本文在分析 APD 工作原理的基础上，在实验室实际测试了 APD 光电二极管的暗电流、光电流、伏安特性、雪崩电压、光电特性、光谱特性等。最后设计了一个通过单片机控制并显示的光敏开关电路，在实验室调试成功。关键词：APD；光电特性测试；半导体；单片机AbstractIIAbstractAPD means Avalanche Photod
5、iode. The photodiodes P-N junction absorption photon incident can be formed the light current when it is with the reverse bias. Avalanche photodiode is widely used in EMC test, bioluminescence detection, laser imaging system, laser ranging, laser radar, laser gyro, infrared detection, and metal ore
6、selection etc. Based on the analysis of the working principle of APD, this paper shows the testing of the APDs dark current of photodiode dark current, photocurrent, volt ampere characteristics, avalanche voltage, optical characteristics, and spectral characteristics in the laboratory. Finally, a ph
7、otosensitive switch circuit controlled by MCU was designed and debugged successfully in the laboratory.Key words: APD; Photoelectric characteristics test; Semiconductor; MCU四川理工学院毕业设计（论文）III目 录摘 要 .IAbstract .II目 录 .III第一章 引 言 .11.1 课题背景 .11.2 国内外研究现状 .21.2.1 APD 的发展概况 .21.2.2 不同材料 APD 的性能特点 .6第二章 雪
8、崩光电二极管的基本原理 .72.1 APD 典型结构分析 .7第三章 APD 光电二极管特性测试实验 .103.1 测试 APD 光电二极管的目的 .103.2 测试 APD 光电二极管的主要参数 .103.3 实验所需主要仪器 .103.4 APD 光电二极管实验原理 .113.5 实验过程中的注意事项 .113.6 实验内容及数据分析 .123.6.1 APD 光电二极管暗电流测试 .123.6.2 APD 光电二极管光电流测试 .133.6.3 APD 光电二极管伏安特性 .133.6.4 APD 光电二极管雪崩电压测试 .143.6.5 APD 光电二极管光照特性 .153.6.6 A
9、PD 光电二极管光谱特性测试 .17第四章 APD 光电二极管的应用 .194.1 APD 的应用概述 .194.2 APD 的前置放大模块 .194.3 LM393 双电压比较器说明 .214.4 应用模块接线和现象 .22第五章 结 论 .24参考文献 .25致谢 .27附录 .28文献综述 .32四川理工学院毕业设计（论文）1第一章 引 言1.1 课题背景光探测技术在当今时代是普遍应用的，并且改变着现代人类传递和接收信息的方式。其中雪崩光电二极管(APD)更是一种广泛应用的光电子器件，主要应用于工业、医疗、航空航天以及科学研究等领域，包括光通信、激光测距 1、深空激光通信、时间光子分辨计
10、数、量子密钥分配、激光成像 2，经常被作为一种前置放大器使用。事实上，目前的光通讯系统前置放大器的设计往往采用 APD 基的接收器而非以前传统的 PIN 二极管和掺铒光纤放大器的组合。APD 之所以在光通信领域应用广泛，是因为 APD 具有较高的内部增益，在一些高速系统中可以提高接收器的灵敏度。由于硅半导体工艺技术业已完善成熟，特别容易与其他微电子器件结合，而且在制作硅基半导体器件时的 Si 薄膜材料有晶体型，无定型和多孔型等多种形式，应用灵活方便。因此硅基光电探测器对于探测波长为 200nm-900nm 的波段应用越来越普遍，而且在这个波段 Si 基光电子探测器的响应度比较高，但是随着波长的
11、增加到 1000nm左右的时候器件敏感响应度会很低。特别是伴随着近年来光通讯领域的迅猛发展，尤其是 1064nm 波段 YAG 激光器的技术成熟和广泛应用，使得对近红外波段的光探测器件的需求越来越大，进而对 APD在近红外波段的高敏感度的探测提出了迫切要求。但遗憾的是基于硅禁带宽度较大的固有缺陷，使得传统的硅基 APD 在近红外波段的响应度一直没能满足人们的需求。制约硅基 APD 在近红外方向特别是 1064nm 波段发展的原因有两个，第一，硅的禁带宽度是 1.12eV，从而导致硅对 1100nm 处光的吸收截止。Si 是间接带隙材料，在 300K 时硅的禁带宽度是 1.12eV。因此硅的吸收
12、截止波长是 1100nm。从而导致由间接半导体材料制做的 APD 器件在截止波长附近吸收效率非常低。为了使硅基 APD 在 1064nm 处获得较高的量子效率，人们研发出使用其它半导体材料 (锗、铟或者砷化镓)制作光电子器件，但是这些材料的光电子器件暗电流和噪声比较高，价格昂贵，而且与硅的晶格不匹配。或者改变硅基 APD 的结构设计，还可以使用飞秒激光微构造技术，来改变硅在近红外处的光吸收特性。第二，APD 制造工艺过程中必须引入尽可能少的缺陷以减少暗电流，从而保证器件具有较高的信噪比。因此，拓宽硅基光电探测器件的探测波长范围及探测效率，不仅成为一个较为热点的研究领域，引起了各国科研工作者的兴
13、趣，同时也成为光通信领域迫切需要克服引言2的难题，是市场应用所需迫切解决的问题。最近几年人们尝试了各种方法来提高 Si 基APD 的近红外探测效率，其中有增加 Si 基 APD 吸收层的厚度从而提高光子在 Si 中的吸收，然而随着 APD 体积的增加，不但提高了近红外处的量子效率，同样增加 APD器件的暗电流和噪声，也提高了 APD 的响应时间，所以用这种方法提高 APD 近红外的敏感率并不是最好的方法。还有一种方法就是在 APD 器件表面设计一层防反射层，这层防反射层可以使入射光在 APD 器件的表面发生多次反射，从而增加了透入到器件内部的光子，也不会增加 APD 器件的体积，但是这种方法对
14、工艺制作流程要求严格，成本较高，虽然能提高器件的整体效果但依然不能将 1064nm 处的光探测效率提高到理想的程度。总之，拓展硅基 APD 器件的敏感波段，并提高硅基 APD 近红外敏感探测量子探测效率，越来越成为近年来急需研究解决的问题。1.2 国内外研究现状1.2.1 APD 的发展概况一个世纪以前光探测技术就已经存在于人们的生产和生活当中，并且改变着人类传递和接收信息的方式。光探测器可以分为三大种：光电倍增管(PMT) ，光电导元件及光电二极管。早在 1913 年 Einstein 发明光电功函数不久，探测弱光信号成为可能，大概 20 年后，在 RCA 实验室发明了第一台光电倍增管并于
15、1936 年投入市场，从此以后单光子探测成为可能。从此以后光电子器件的发展越来越趋于成熟，第一台硅基雪崩光电二极管实现于六十年代后期，由 CRA 公司的 Mcintyre 和 Haitz 在肖克利实验室完成。第一个关于雪崩光电二极管的专利授予在六十年代末，七十年代初。紧接着日本于 1972 年也发表了相关专利，那时雪崩光电二极管已经开始按照它们的工作方式分为线性的和盖革模式。下图 1-1 即为日本首发的固态单光子雪崩光电二极管。图 1-2 是Mcintyre 和 Haitz 首次发明的 APD 简图。四川理工学院毕业设计（论文）3图 1-1 日本第一个雪崩光电二极管简图Fig.1-1 The
16、first APD diagram of Japanse图 1-2 Mcintyre 和 Haitz 发明的 APD 简图Fig.1-2 The APD of Mcintyre and Haitz invented第一个 Geiger 模式的 APD 的性能尽管并不很理想，但是它在几个反向偏电压下已经能够探测出单光子，此项研究奠定了对 APD 器件深入研究的基础。这种雪崩光电二极管称为单光子雪崩光电二极管(SPAD)，随后由 Perkin-Elmer 发明了 SLIKTM 结构，不久由 RMC 公司设计出了单光子雪崩光电二极管阵列。1987 年在罗克韦尔国际科研中心 Stapelbrodk 等
17、发明了固态的光电倍增管(SSPM) ，这是一个有着较高的施主掺杂浓度的 APD，由于高浓度掺杂的存在，产生了一个低于导带 50MeV 的杂质能带。这种结构 APD 对近红外光的敏感度较差，被人们称之为可见光子探测器(VLPC)。引言41990 年由德国发明了 MRS 结构的 APD(Metal-Resistor-Semiconductor)，MRS APD 的结构如图 1-3 所示，是由一层很薄(约 0.01m)的金属 Ti 层，下边一层为电阻是 30-80M/cm 的 SiC 或者 SixOy 层，这层用来降低由于局部电场效应引起的盖革击穿，这种结构的制作要求极为严格。剩下的工艺步骤即为常规的半导体器件的制作步骤。其封装后的整体结构简图如图 1-4 所示。图 1-3MRSAPD 结构图Fig.1-3the structure of MRS APD图 1-4 盖革模式 APD 的整体结构Fig.1-4 the monolithic construction of Geiger mode APD 2001 年，C. Wu，C. H. crouch 和 E. Mazur 等人发现飞秒激光在 SF6 气体中照射硅表面后，其表面将会形成一层黑色的圆锥状结构。这种结构后来被称为“黑硅” ，哈佛
