1、 PIN 光电二极管实验仪实验指导书 - 1 -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.,LTDPIN 光电二极管实验仪实验指导书 - 2 -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、PI
2、N 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 -PIN 光电二极管实验仪实验指导书- 3 -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
3、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
4、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。“+”“-
5、”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。（）直流电源：012V 可调， “012V”为直流电源的正极，另一端为负极。（）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 012V 不共地。 PIN 光电二极管实验仪实验指导书- 4 -2、光通路组件面光源分光镜余弦校正器滤色片光电探测器照度计探头光电流输出端光调制控制输入端待测光器件 此处可拆卸光器件输出端图 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
6、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。PIN 光电二极管实验仪实验指导书- 5 -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
7、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PIN 光电二极管实验仪实验指导书- 6 -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
8、度有如下关系：LP/LN = DN/DP其中：D P和 DN 分别为 P区和 N区的掺杂浓度；L P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层近似于本征半导体，有DNEg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
9、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 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
10、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
11、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。PIN 光电二极管实验仪实验指导书- 8 -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
12、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。 RLVI/暗图 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
13、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PIN 光电二极管实验仪实验指导书- 9 -需一段
14、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
15、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
16、 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。光照度（Lx）0 100 300 500 700 900光生电流PIN 光电二极管实验仪实验指导书- 10 -（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。（6）实验完毕，将光照度调至最小，直流电源调至最
17、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、
18、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）
19、，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。偏压（V） 0 -2 -4 -6 -8 -10 -15 -20光生电流1（A）光生电流2（A）PIN 光电二极管实验仪实验指导书- 11 -A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 T
20、P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 400630nm 离散光谱。光谱响应度是光电探测器对单色光
21、辐射的响应能力。定义为在波长为 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：或)(PVv)(PIi式中， 为波长为 时的入射光功率； 为光电探测器在入射光功率 作用下)(P )(P的输出信号电压； 则为输出信号电流。I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)()(fUK式中， 为基准探测器显示的电压值， K为基准电压的放大倍数， 为基准探测器的fU )(f响应度。在测试过程中, 取相同值 ,则实验所测的响应度大小由 确定.下图f fU为基准探测器的光谱响应曲线。 PIN 光电二极管实验仪实验指导书- 12 -00.20.40.60.811.20
22、200 400 600 800 1000 1200 1400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
23、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。波长（nm） 红（630） 橙（605） 黄(585) 绿（520） 蓝（460） 紫（400）基准响应度 0.65 0.61 0.56 0.42 0.25 0.06电压（mV）响应度PIN 光电二极管实验仪实验指导书- 3 -
