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=VR=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=vf
3、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）
0
100
300
500
700
900
光生电流（μA）
（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）
（7）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
偏压（V）
0
-2
-4
-6
-8
-10
-15
-20
光生电流1（μA）
光生电流2（μA）
实验数据分析：
如上图，随着偏压增大，光生电流不断增大，且在光照度增大情况下，光生电流增加更快。
（8）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.
（9）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“脉冲”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。
（3）按图2-5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，TP1与直流电源的地相连。
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与接TP和GND（即为输入的脉冲光信号），用示波器的第二通道接TP2。
（6）观察示波器两个通道信号，缓慢调节直流电源电位器直到示波器上观察到信号清晰为止，并作出实验记录（描绘出两个通道波形）。
（7）缓慢调节脉冲宽度调节，增大输入脉冲的脉冲信号的宽度，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入射辐射的响应能力。
定义为在波长的单位入射功率的照射下，光电探测器输出的信号电压或电流信号。
即为
或
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的输出信号电压；则为输出用电流表示的输出信号电流。
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
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，为基准探测器的响应度。
取在测试过程中,取相同值,则实验所测测试的响应度大小由的大小确定.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，S4，S3，S5，S6，S7均拨下。
（3）将直流电源2正负极直接与电压表相连，打开电源，调节电源电位器至电压表为10V，关闭电源。
（4）按如图2-7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，依次将S2，S3，S4，S5，S6，S7拨上后拨下，记下照度计读数最小时照度计的读数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）重复操作步骤（6），分别测试出橙，黄，绿，蓝，紫在光照度E下电压表的读数，填入下表。
波长（nm）
红（630）
橙（605）
黄（585）
绿（520）
蓝（460）
紫（400）
基准响应度
R电压（mV）
光电流（U/R）
响应度
（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。
七、心得与体会
本次实验主要学习掌握PIN光电二极管的工作原理、学习掌握PIN光电二极管的基本特性、掌握PIN光电二极管特性测试的方法、了解PIN光电二极管的基本应用，实验过程中对于光照度和偏压对光生电流的影响进行进一步的分析，同时考虑不同波长的光谱特性，再次帮助复习了关于光波特性的相关知识，同时感谢老师在实验过程中的认真指导！
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