APD光电二极管的特性测试及应用研究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

[1]Jerald Graeme. 光电二级管及其放大电路设计[M]. 北京:科学出版社. 2012.8 [2]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：可网上搜索查找相关中文和外文文献。

3．进度安排 1 2 3 4 5 6 7 设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期 2014.1.18-3.20 2014.3.21-3.30 查阅文献资料，确定方案，写文献综述 学习APD光电二极管的工作原理 理解APD光电二极管的各项参数指标并测试 2014.4.1-4.25 各项参数如: 暗电流、伏安特性、雪崩电压等 2014.4.26-4.31 设计利用APD光电二极管的相关检测电路 制作调试所设计的电路 撰写论文 准备论文答辩 注：本表在学生接受任务时下达 2014.5.10-5.20 2014.5.21-6.4 2014.6.5-6.10 摘 要

摘 要

APD -Avalanche 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

I

Abstract

Abstract

APD means Avalanche Photodiode. The photodiode’s 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 selection etc. Based on the analysis of the working principle of APD, this paper shows the testing of the APD’s dark current of photodiode dark current, photocurrent, volt ampere characteristics, avalanche voltage, optical characteristics, and spectral characteristics in the laboratory. Finally, a photosensitive switch circuit controlled by MCU was designed and debugged successfully in the laboratory.

Key words: APD; Photoelectric characteristics test; Semiconductor; MCU

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目 录

摘 要 .......................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II 目 录 ........................................................................................................................................ III 第一章 引 言 ............................................................................................................................ 1

1.1 课题背景 ...................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .......................................................................................................... 2

1.2.1 APD的发展概况 ................................................................................................ 2 1.2.2不同材料APD的性能特点 ............................................................................... 6 第二章 雪崩光电二极管的基本原理 ...................................................................................... 7

2.1 APD典型结构分析 ...................................................................................................... 7 第三章 APD光电二极管特性测试实验 ............................................................................... 10

3.1测试APD光电二极管的目的 ................................................................................... 10 3.2测试APD光电二极管的主要参数 ........................................................................... 10 3.3实验所需主要仪器 ..................................................................................................... 10 3.4 APD光电二极管实验原理 ........................................................................................ 11 3.5实验过程中的注意事项 ............................................................................................. 11 3.6实验内容及数据分析 ................................................................................................. 12

3.6.1 APD光电二极管暗电流测试 .......................................................................... 12

3.6.2 APD光电二极管光电流测试 .......................................................................... 13 3.6.3 APD光电二极管伏安特性 .............................................................................. 13 3.6.4 APD光电二极管雪崩电压测试 ...................................................................... 14 3.6.5 APD光电二极管光照特性 .............................................................................. 15 3.6.6 APD光电二极管光谱特性测试 ...................................................................... 17

第四章 APD光电二极管的应用 ........................................................................................... 19

4.1 APD的应用概述 ........................................................................................................ 19 4.2 APD的前置放大模块 ................................................................................................ 19 4.3 LM393双电压比较器说明 ........................................................................................ 21 4.4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

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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趣，同时也成为光通信领域迫切需要克服的难

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引言

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。

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图 1-1 日本第一个雪崩光电二极管简图 Fig.1-1 The 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)。

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引言

1990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0.01μm)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”，哈佛大

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学研究小组发现，这种结构硅材料的光吸收特性发生了很大的改变，晶体硅的吸收波长仅仅在200nm-800nm，在1000nm处几乎截止，但是经过飞秒激光辐照的这种硅材料的光吸收波长扩宽到2500nm，而且在整个250nm-2500nm之间光的吸收高达到90%，这种突破性发现，对于硅材料的应用开辟了更为广阔的前景。更为半导体器件的制作提供了一种新材料，这种材料将突破Si半导体器件的很多限制，拓宽了Si光电探测器的光探测范围。同时也为我们提供了一种掺杂S的技术。

2004年美国哈佛大学E. Mazur等人将这种经过微处理的硅基材料应用于雪崩光电二极管(APD)，将1100nm波长处的吸收量子效率提高到58%。不久，Richard A. Myers等人也研究了经过飞秒激光微处理后的硅基APD在近红外波段的量子响应效率，2006年发表的文献得出了与E. Mazur等人基本一致的结论。与此同时，日本滨松也致力于将“黑硅”这种材料应用于提高APD近红外增强，并做出了相关产品。

图1-5 改进后的APD在650nm~1200nm波段的量子效率

Fig.1-5 Quantum efficiency of the improved APD whose wavelength is between 650nm

to1200nm

2008年哈佛大学工程和应用科学学院利用飞秒激光处理技术，将这种微构造应用于PSAPD，增强了近红外响应效率，使器件在1064nm波段处的量子效率提高到58%。

从第一个APD出现以来，APD无论是在科研领域还是在工业应用领域变得越来越重要。与光电倍增管(PMTs)相比雪崩光电二级管具有更高的量子效率，更高的总体敏感性，更高的信噪比。最近几年，越来越多的制造APD的材料和技术被开发和应用，根

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引言

据各种各样的需求，例如近红外单光子探测、宽光谱范围探测、较高的响应时间等，越来越多的APD结构被设计出来。

1.2.2不同材料APD的性能特点

本节我们根据APD的制造材料及性能应用对APD分类进行详细的介绍。目前最常用的APD是Si或者Ge材料。Si和Ge是现代社会广泛应用的半导体材料。Si和Ge很早以来就被人们深入研究并且广泛应用于半导体器件的制造。它们都是间接半导体材料，在300K下Si和Ge的禁带宽度分别为1.12eV和0.66eV，因此他们的截止波长为1100nm和1880nm。APD另外还有InGaAs-InP和HgCdTe材料的APD。

HgCdTe是HgTe和CdTe两种材料的固溶体。根据Cd在HgCdTe材料中所占的比重导致材料的禁带宽度在0eV-1.6eV之间变化。因此可以根据Cd的不同掺杂比例来调整材料的禁带宽度，从而获得我们所需要的材料。HgCdTe材料的APD器件通常只存在于实验室的应用而且通常需要低温操作。InGaAs-InP APD主要应用于光纤网络中的光学接收器用来接收波长为1310/1550nm的电信波长，该类型器件主要用直接带隙半导体材料InGaAs制造。InGaAs材料与InP的晶格结构非常匹配所以可以用InP作为APD器件的基底。InGaAs-InP APD的倍增层是由具有宽带宽特性的InP材料制成。这种材料的APD可以获得较好的时间响应。但是由于InGaAs和InP两种材料的接触面处存在的不完美匹配，使得APD器件因缺陷而存在很大的噪声，极不适合盖革模式下低噪声的光电探测。

关于Si和Ge材料的APD，我们主要介绍Si材料的APD。Si材料的禁带宽度的限制使得Si材料的APD在探测近红外光的时候受到很大限制，越来越多的致力于扩展Si的探测光谱的研究开始出现。越来越多的Si材料的APD也被研发出来。目前已经有的Si材料APD包括：高速高增益型、近红外增强型、蓝光增强型以及拉通型。

本文在分析APD工作原理的基础上，在实验室实际测试了APD光电二极管暗电流、APD光电二极管光电流、APD光电二极管伏安特性、APD光电二极管雪崩电压、APD光电二极管光电特性、APD光电二极管时间响应特性、APD光电二极管光谱特性测试等实验。最后设计了一个关于APD光电二极管的前置放大模块，通过单片机驱动液晶显示器，实现了光敏开关的作用。

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第二章 雪崩光电二极管的基本原理

2.1 APD典型结构分析

图2-1为APD的一种结构。外侧与电极接触的P区和N区都进行了重掺杂，分别以P+和N+表示，在I区和N+区中间是宽度较窄的另一层P区。APD工作在大的反偏压下，当反偏压加大到某一值后，耗尽层从N+-P结区一直扩展(或称拉通)到P+区，包括了中间的P层区和I区。图2-1的结构为拉通型APD的结构。从图中可以看到，电场在I区分布较弱，而在N+-P区分布较强，碰撞电离区即雪崩区就在N+-P区。尽管I区的电场比N+-P区低得多，但也足够高(可达2x104V/cm)，可以保证载流子达到饱和漂移速度。当入射光照射时，由于雪崩区较窄，不能充分吸收光子，相当多的光子进入了I区。I区很宽，可以充分吸收光子，提高光电转换效率。我们把I区吸收光子产生的电子-空穴对称为初级电子-空穴对。在电场的作用下，初级光生电子从I区向雪崩区漂移，并在雪崩区产生雪崩倍增。而所有的初级空穴则直接被P+层吸收。在雪崩区通过碰撞电离产生的电子-空穴对称为二次电子-空穴对。可见，I区仍然作为吸收光信号的区域并产生初级光生电子-空穴对，此外它还具有分离初级电子和空穴的作用，初级电子在N+-P区通过碰撞电离形成更多的电子-空穴对，从而实现对初级光电流的放大作用。

图2-1 APD的结构及电场分布

Fig 2-1 the structure of APD and its electric-field distribution

碰撞电离产生的雪崩倍增过程本质上是统计性的，即为一个复杂的随机过程。每一个初级光生电子-空穴对在什么位置产生，在什么位置发生碰撞电离，总共碰撞出多少二次电子一空穴对，这些都是随机的。因此与PIN光电二极管相比，APD的特性较为

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雪崩光电二极管的基本原理

复杂。

APD的雪崩倍增因子M定义为

M=IP/IP0 （2.1.1） 式中：IP是APD的输出平均电流；IP0是平均初级光生电流。从定义可见，倍增因子是APD的电流增益系数。由于雪崩倍增过程是一个随机过程，因而倍增因子是在一个平均之上随机起伏的量，雪崩倍增因子M的定义应理解为统计平均倍增因子。M随反向偏压的增大而增大，随W的增加按指数增长。

APD的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声、热噪声和附加的倍增噪声。倍增噪声是APD中的主要噪声。

倍增噪声的产生主要与两个过程有关，即光子被吸收产生初级电子-空穴对的随机性和在增益区产生二次电子-空穴对的随机性。这两个过程都是不能准确测定的，因此APD倍增因子只能是一个统计平均的概念，表示为，它是一个复杂的随机函数。

由于APD具有电流增益，所以APD的响度比PIN的响应度大大提高，有

R0=(IP/P)=(ηq/hf) （2.1.2）

量子效率只与初级光生载流子数目有关，不涉及倍增问题，故量子效率值总是小于1。

APD的线性工作范围没有PIN宽，它适宜于检测微弱光信号。当光功率达到几μW以上时，输出电流和入射光功率之间的线性关系变坏，能够达到的最大倍增增益也降低了，即产生了饱和现象。

APD的这种非线性转换的原因与PIN类似，主要是器件上的偏压不能保持恒定。由于偏压降低，使得雪崩区变窄，倍增因子随之下降，这种影响比PIN的情况更明显。它使得数字信号脉冲幅度产生压缩，或使模拟信号产生波形畸变，因而应设法避免。

在低偏压下APD没有倍增效应。当偏压升高时，产生倍增效应，输出信号电流增大。当反偏压接近某一电压VB时，电流倍增最大，此时称APD被击穿，电压VB称作击穿电压。如果反偏压进一步提高，则雪崩击穿电流使器件对光生载流子变的越来越不敏感。因此APD的偏置电压接近击穿电压，一般在数十伏到数百伏。须注意的是击穿电压并非是APD的破坏电压，撤去该电压后APD仍能正常工作。

APD的暗电流有初级暗电流和倍增后的暗电流之分，它随倍增因子的增加而增加；此外还有漏电流，漏电流没有经过倍增。

APD的响应速度主要取决于载流子完成倍增过程所需要的时间，载流子越过耗尽层所需的渡越时间以及二极管结电容和负载电阻的RC时间常数等因素。而渡越时间的

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影响相对比较大，其余因素可通过改进结构设计使影响减至很小。

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APD光电二极管特性测试实验

第三章 APD光电二极管特性测试实验

3.1测试APD光电二极管的目的

熟悉APD光电二极管的工作原理，以及APD光电二极管的基本特性。并且熟练掌握APD光电二极管特性测试方法，以便进一步研究APD光电二极管的基本应用并探索新的应用领域。

3.2测试APD光电二极管的主要参数

本实验主要测试APD光电二极管暗电流、APD光电二极管光电流、APD光电二极管伏安特性、APD光电二极管雪崩电压、APD光电二极管光电特性、APD光电二极管时间响应特性、APD光电二极管光谱特性等主要参数。

3.3实验所需主要仪器

图3-1 实验箱 图3-2 实验面板

Fig3-1the experimental box fig 3-2 the experimental panel

图3-3APD雪崩光电二极管 图3-4 电源线及导线

Fig3-3 the APD fig3-4 the power cord and wireway

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图3-5脉冲宽度及光照度调节面板 图3-6照度计

Fig 3-5 the panel of pulse width and illuminomenter Fig3-6 the illuminomenter

要完成本实验的相关参数测试需要如下仪器：（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）光敏电阻及封装组件1套；（5）迭插头导线（红色，50cm）10根；（6）迭插头导线（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。

3.4 APD光电二极管实验原理

雪崩光电二极管APD—Avalanche Photodiode[5]是具有内部增益的光检测器，它可以用来检测微弱光信号并获得较大的输出光电流。

雪崩光电二极管能够获得内部增益是基于碰撞电离效应。当PN结上加高的反偏压时，耗尽层的电场很强，光生载流子经过时就会被电场加速，当电场强度足够高(约3x105V/cm)时，光生载流子获得很大的动能，它们在高速运动中与半导体晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发出新的电子一空穴对，这种现象称为碰撞电离。碰撞电离产生的电子一空穴对在强电场作用下同样又被加速，重复前一过程，这样多次碰撞电离的结果使载流子迅速增加，电流也迅速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。

3.5实验过程中的注意事项

实验之前，需要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；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；连线之前保证电源关闭。其次实验过程中，不能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。

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APD光电二极管特性测试实验

3.6实验内容及数据分析

3.6.1 APD光电二极管暗电流测试

图3-7实验装置原理框图

Fig3-7 the schematic diagram of the experimental device

（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0lx。

（4）按图3-7所示的电路连接电路图，直流电源选择电源1，负载RL选择RL11=100K欧,电流表选择200uA档.

（5）打开电源开关，缓慢调节直流电源电位器，直到微安表显示有读数为止，记录此时电压表U和电流表的读数I.I即为APD光电二极管在U偏压下的暗电流。

(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要一段时间后才可稳定。)

（6）实验完毕，直流电源调至最小，关闭电源，拆除所有连线。 （7）数据记录：

表3-1APD光电二极管暗电流 Table3-1 the dark current of the APD 照度（lx） 0.00 U(V) 72.1 I(μA) 1．0

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3.6.2 APD光电二极管光电流测试

（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“静态特性”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。

（3）按图3-7所示的电路连接电路图，直流电源选择电源1，负载RL选择RL11=100K欧，电流表选择200μA档。

（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），缓慢调节直流电源电位器，直到微安表显示有读数有较大变化为止，记录此时电压表U和电流表的读数I。I即为APD光电二极管在U偏压下的光电流。

（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。 （6）数据记录：

表3-2 APD光电二极管光电流 Table3-2 the photocurrent of the APD 照度（lx） 300.0 U(V) 100.0 I(μA) 3．0 3.6.3 APD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。

（3）按图3-7所示的电路连接电路图，直流电源选择电源1，负载RL选择RL11=100K欧。

（3）打开电源顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为200Lx，保持光照度不变，调节电源电压电位器，使反向偏压为0V、50V、100V、120V、130V、140V、150V、160V时的电流表读数，填入下表，关闭电源。(注:在测试过程中应缓慢调节电位器，待电压表和电流表稳定后方可读数。)

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APD光电二极管特性测试实验

表3-3 APD光电二极管伏安特性

Table3-3 the volt ampere characteristic of the APD

照度 200lx 偏压U（V） 0 50 100 120 130 140 150 160 光生电流I（μA） 0 0.1 0.3 0.9 2.5 300 1500 3300 (4)根据表实验结果，作出在200lx光照度下的APD光电二极管伏安特性曲线。

图3-8 APD光电二极管伏安特性曲线

Fig3-8 the volt ampere characteristic curve of the APD

分析图3-8：当光照度为200lx偏压在0-130V之间时，光生电流几乎为0。随着偏压的继续增大，光生电流急剧增加，趋于指数增长。原因可能是反向偏压达到了APD光电二极管的雪崩电压，所以光生电流才迅速增加。（由于APD雪崩光电二极管的个性差异，不同的APD光电二极管的雪崩电压有0-50V差异，测试的数据也有很大差异，属正常现象。）

3.6.4 APD光电二极管雪崩电压测试

(1)根据APD伏安特性的测试方法，重复APD伏安特性测试的实验步骤，分别测出光照度在100lx，300lx，500lx光照度时，反向偏压为0V、50V、100V、120V、130V、140V、150V、160V时的电流表读数，关闭电源，数据记录如下：

表 3-4 APD光电二极管电压测试 Table3-4 the voltage test of the APD

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偏压（V） 光生电流1（μA） 光生电流2（μA） 光生电流3（μA） 0 0 0 0 50 0 0.1 0.1 100 0.1 0.4 0.6 120 0.5 0.9 1.4 130 1.7 2.6 3.8 140 530 750 870 150 1750 2000 2300 160 3400 3400 3400 (2)根据上述实验结果，下面在同一坐标轴下作出100Lx，300lx和500lx光照度下的APD光电二极管伏安特性曲线，以便找出光电二极管的雪崩电压。

图3-9 不同照度下APD光电二极管伏安特性曲线

Fig3-9 the volt ampere characteristic curve of the APD in different illumination 分析图3-9可知：（1）当电压大约在0-130V之间时，APD雪崩光电二极管无论在光照强度为多少的条件下，光生电流几乎都为0μA；（2）当反向偏压在130-150V之间时，光生电流急剧攀升，几乎呈指数增长；（3）达到雪崩电压之后，当反向偏压一定时照度对光生电流有较大影响，且光生电流随照度增加而增加；（4）当电压超过150V之后，照度对光生电流的影响逐渐减小，最后光生电流趋于同一值，即光生电流以暗电流为主。

由图3-9知此APD雪崩光电二极管的雪崩电压大约在130-150V之间。

3.6.5 APD光电二极管光照特性

实验装置原理框图如图3-7所示。

（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。

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APD光电二极管特性测试实验

（3）按图3-7所示的电路连接电路图，直流电源选择电源1，负载RL选择RL11=100K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，直到电压表的显示值略高于前一个实验所测试的雪崩电压即可，保持电压不变，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。

表3-5 APD光电二极管光照特性

Table3-5 the illumination performance of the APD 电压（V） 光照度（Lx） 光生电流（μA） 0 9.7 100 11.5 200 12.7 140V 300 13.5 400 14.3 500 15.0 （5）根据表3-5中实验数据，在坐标轴中作出APD光电二极管的光照特性曲线，并进行分析。

图3-10 APD光电二极管的光照特性曲线 Fig3-10 the illumination performance of the APD

分析图3-10：由APD的光照特性曲线可知，当加此在雪崩光电二极管的反向偏置电压为140V时，APD的光生电流和光照度呈一次函数关系，即光照特性曲线呈现出很好的线性趋势，这个特性可以将APD广泛应用于与光电转换的传感器中。

（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。

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3.6.6 APD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

?v(?)?V(?)I(?)或 ?i(?)? P(?) P(?) （3.6.1）

式中，P(?)为波长为?时的入射光功率；V(?)为光电探测器在入射光功率P(?)作用下的输出信号电压；I(?)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 ?(?)?UK?f(?) （3.6.2） Uf式中，Uf为基准探测器显示的电压值，K为基准电压的放大倍数，?f(?)为基准探测器的响应度。在测试过程中，Uf取相同值，则实验所测测试的响应度大小由

?(?)?U?f(?)的大小确定。图3-11为基准探测器的光谱响应曲线。

1.210.80.60.40.200200400600800100012001400

图3-11 基准探测器的光谱响应曲线

Fig3-11 the spectral response curve of the ference detector

（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

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APD光电二极管特性测试实验

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）按图3-7所示的电路连接电路图，直流电源选择电源1，负载RL选择RL4=1K欧。

（4）打开电源，缓慢调节电位器直流电源电位器,直到电压表的读数略高APD光电二极管的雪崩电压为止。

（5）S2拨上，缓慢调节电位器直到照度计显示为E=10lx，将电压表测试所得的数据填入下表，再将S2拨下。

（6）重复操作步骤（7），分别测试出橙，黄，绿，蓝，紫在光照度E下电流表的读数，填入表3-6。

表3-6 APD光电二极管的光谱特性测试 Table3-6 the spectral characteristic test of the APD

电压(V) 140.0 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 光电流(μA) 10.5 10.2 10.1 10.0 9.9 9.8 响应度 91 85.4 78.4 58.8 35 8.4 （7）根据所测试得到的数据，绘出APD光电二极管的光谱特性曲线如下：

图3-12 APD光电二极管的光谱特性曲线 Fig3-12 the curve of the APD’s spectral characteristic test

（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。

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第四章 APD光电二极管的应用

4.1 APD的应用概述

APD是一种具有内增益能力的探测器，具有很高的灵敏度，被广泛地应用在超高速光通信、信号处理、测量和传感系统中；APD是现代高比特速率光通信系统广泛使用的光电探测器；APD以其体积小、工作电压低、测量波段范围宽以及在近红外波段有较高灵敏度等一系列的优点，在弱光场测量、光子计数等相关领域中得到广泛应用，目前以InGaAs制作的APD已作为高灵敏度、高响应度的光电探测器在光纤传感等领域广泛使用，并占据了主导地位；由于APD具有较高的内增益，其探测灵敏度比PIN型光电二极管高的特点，因此APD光电探测器是目前1.06μm激光测距机中最常用的优良器件。

本文有效利用了APD光电二极管在近红外波段有较高的灵敏度这一特点，设计了一个APD的前置放大模块，成功制作了一个APD的光电传感器开关用于检测近红外波段的装置，在实验室制作了电路硬件，调试成功了各部分功能。

4.2 APD的前置放大模块

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四川理工学院毕业设计（论文）

参考文献

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[25]林占江、林放．电子测量技术[M] ．北京：电子工业出版社（第三版）．2012. 5.

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致谢

本文的整个研究过程都是在导师XXX老师的悉心指导下进行和完成的。在论文的选题、研究方案的拟定、乃至论文的润色，X老师都给予了精心的指导。他高深的学术造诣、严谨的治学态度、丰富的实践经验及诲人不倦的育人精神使我受益匪浅，并将使我终生受益。在此，谨向X老师致以崇高的敬意和衷心的感谢!

此外，我要感谢参与本项目组的同学，特别是XXX同学，在应用的制作方面给与了十分好的意见和建议，在程序的编写过程感谢XXX同学的悉心指导。他们对我的实验给予了无私的帮助，特向他们表达我最诚挚的谢意！

感谢我的父母和姐姐，他们的默默奉献和支持永远是我前进的力量源泉！

27

附录

附录

APD．C

#include #include\．h\

sbit V = P2 ^ 0; sbit duan = P2 ^ 6; sbit wei = P2 ^ 7;

void main(void) { //初始化1602以及各相关端口 InitLCD(); duan = 0; wei = 0;

// 检测循环 while(1) { // 检测到高电平 if(V == 1) { P1 = 0x00; // 清屏 wcode(0x01, 0);

// 显示信息

disp();

// 延时后，继续检测

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四川理工学院毕业设计（论文）

delay(10000);

}

// 未检测到高电平 else { // 清屏 wcode(0x01, 0);

}

}

}

1602．C

#include // #include\．h\

// 命令/数据选择 sbit rs = P3 ^ 5; // 锁存控制 sbit e =P3 ^ 4;

unsigned char *msg[2] = {\ Welcome To \

// 延时函数

void delay(unsigned int time) {

unsigned int i, j;

for(i = 0; i < time; i++) { for(j = 0; j < 30; j++); } }

// LCD写命令或数据函数

void wcode(unsigned char DATA, unsigned int flag) {

// flag为 0 时，向LCD写命令 // flag为 1 时，向LCD写数据 // flag不应为其他值

suse \29

附录

rs = flag;

// 向LCD写命令或数据 P0 = DATA;

// 使能，允许向LCD写命令或数据 e = 1;

// 向LCD写命令或数据需要时间，因此延时，保证命令或数据完整地写入LCD delay(20);

// 使能，写入令或数据后，应锁定，防止被修改 e = 0; }

// LCD初始化函数 void InitLCD(void) {

// 清屏

wcode(0x01, 0);

// 输入方式控制,增量光标不移位 wcode(0x06, 0); // 显示开关控制 wcode(0x0e, 0);

// 功能设定:设置16x2显示，5x7显示,8位数据接口 wcode(0x38, 0); }

// LCD显示信息函数 void disp(void) {

unsigned int i, j;

unsigned char address[] = {0x80, 0xc0};

// 使用循环显示一行信息 for(j = 0; j < 2; j++) { // 向LCD写命令，在adddress[j]处显示信息 wcode(adddress[j], 0); // 循环16次，写完1行 for(i = 0; i < 16; i++) {

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// 向LCD写数据，显示msg[num][i] wcode(msg[j][i], 1) } } }

show．c /**

本头文件包含了使用LCD 1602 相关的函数以及一个延时函数的声明， 实现在同名的 c 文件中 **/

#ifndef _SHOW_H_ #define _SHOW_H_

void InitLCD(void);

void delay(unsigned int time);

void wcode(unsigned char command, unsigned int flag); void InitLCD(void); void disp(void);

#endif // _SHOW_H_

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文献综述

APD光电管的特性测试及应用研究

文献综述

人类正处于信息时代，信息技术的三大支柱是测控技术、通信技术和计算机技术，而传感器技术是测控技术的基础。“没有传感器技术就没有现代科学技术”的观点已成为全世界公认。传感器技术是材料学、力学、电学、磁学、微电子学、光学、声学、化学、生物学、精密机械、仿生学、测量学、半导体技术、计算机技术、信息处理技术，乃至系统科学、人工智能、自动化技术等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前言技术，广泛应用于航空航天、兵器、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农业渔业、食品、烟酒制造、建筑、汽车、舰船、机器人、家电、公共安全等领域，可以说是无处不在。传感器处于自动检测与控制系统之首，是感知、获取与检测信息的窗口。科学研究和生产过程要获取的信息，都要通过传感器才能转换成容易传输和处理的电信号或光信号等。科学技术越发达，自动化程度越高，对传感器的依赖就越大,其中光电传感器占有十分重要的地位。

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。它可以用于检测直接引起光量变化的其它非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、速度、加速度及物体的形态、工作状态的识别等。光电传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得了广泛应用，在光电传感器中我们又不得不提到常用的雪崩光电二极管。

1953年，K.G.麦克凯和K.B.麦卡菲报道锗和硅的PN结在接近击穿时的光电流倍增现象。1955年，S.L.密勒指出在突变PN结中，载流子的倍增因子M随反向偏压V的变化可以近似用下列经验公式表示：

M＝1/[1-(V/VB)n]

式中VB是体击穿电压,n是一个与材料性质及注入载流子的类型有关的指数。

当外加偏压非常接近于体击穿电压时，二极管获得很高的光电流增益。PN结在任何小的局部区域的提前击穿都会使二极管的使用受到限制，因而只有当一个实际的器件在整个PN结面上是高度均匀时，才能获得高的有用的平均光电流增益。因此，从工作状态来说，雪崩光电二极管实际上是工作于接近（但没有达到）雪崩

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击穿状态的、高度均匀的半导体光电二极管。1965年，K．M.约翰逊及L．K.安德森等分别报道了在微波频率下仍然具有相当高光电流增益的、均匀击穿的半导体雪崩光电二极管。从此，雪崩光电二极管作为一种新型、高速、灵敏的固态光电探测器件渐渐受到重视。

性能良好的雪崩光电二极管的光电流平均增益可以达到几十、几百倍甚至更大。半导体中两种载流子的碰撞离化能力可能不同，因而使具有较高离化能力的载流子注入到耗尽区有利于在相同的电场条件下获得较高的雪崩倍增。但是，光电流的这种雪崩倍增并不是绝对理想的。一方面，由于光电流随注入光强的增加而下降，使雪崩光电二极管的线性范围受到一定的限制，另一方面更重要的是，由于载流子的碰撞电离是一种随机的过程，亦即每一个别的载流子在耗尽层内所获得的雪崩增益可以有很广泛的几率分布，因而倍增后的光电流I比倍增前的光电流I0有更大的随机起伏，即光电流中的噪声有附加的增加。与真空光电倍增管相比，由于半导体中两种载流子都具有离化能力，使得这种起伏更为严重。

载流子在耗尽层中获得的雪崩增益越大，雪崩倍增过程所需的时间越长。因而，

雪崩倍增过程要受到“增益-带宽积”的限制。在高雪崩增益情况下,这种限制可能成为影响雪崩光电二极管响应速度的主要因素之一。但在适中的增益下，与其他影响光电二极管响应速度的因素相比，这种限制往往不起主要作用，因而雪崩光电二极管仍然能获得很高的响应速度。现代雪崩光电二极管增益-带宽积已达几百G赫兹。

与真空光电倍增管相比，雪崩光电二极管具有小型、不需要高压电源等优点，因而更适于实际应用；与一般的半导体光电二极管相比，雪崩光电二极管具有灵敏度高、速度快等优点，特别当系统带宽比较大时，能使系统的探测性能获得大的改善，因此它在光通信中应用前景广泛。雪崩光敏二极管的主要缺点是噪声大。由于雪崩反映是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以致无法使用。

目前对单光子探测技术进行的研究，为实现单光子探测作了必要的准备，并取得了一些成果。然而，距离单光子探测器的实用化还有较大的距离，加上时间和实验条件的限制，研究工作还存在很多有待解决的问题。

量子信息科学是一个正在兴起和迅速发展的新领域。在量子通信系统中，量子信息的载体是单光子。要实现量子保密通信，就要求单光子在光纤中传输。由于光在1550nm具有最小损耗，因此实现在1550nm波长上的量子通信具有重要的现实意义。

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文献综述

量子密钥分发实验，是属于国家973计划“量子通信与量子信息技术”中“量子密钥分发”实验的红外单光子探测的一个子项目。是对单光子探测系统中的探测器-雪崩光电二极管进行特性研究。通过不带前放的SAM雪崩光电二极管，解决了温度会对前置放大器的特性产生难以检测的影响，消除了APD探测性能变坏的问题。

近几年的相关研究表明：

雪崩电压必须大于拉通电压，APD才能取得有效的倍增过程，拉通电压随着温度的降低略微增大。雪崩电压随着温度的降低而降低。因此，温度的升高会使APD拉通的程度增大。通过对耗尽层拉通到吸收层的深度进行合理的设计，能使APD器件获得更好的信噪比性能。如对掺杂浓度为1015cm-3，厚度为4μm的吸收层来说，应使这个拉通深度小于吸收区宽度的1/4。在同一偏置电压下，降温会使光电流和倍增因子增大，暗电流降低，因此给APD带来更高的信噪比和灵敏度。由于暗电流雪崩后净光电流降低，光电流和光增益都会有一个最大值。在无源抑制中，到达雪崩点后，APD两端的电压基本维持不变。利用这个特性可以准确地确定APD的雪崩电压值。

在波长小于1μm的波段内，硅具有比较合适的吸收系数。在电场的作用下，电子与空穴的离化率之比很大（大于10），使用硅作探测器材料有利于得到更小的暗电流和更高的温度稳定性。在波长大于1μm的波段内，硅的响应度下降，相比之下，InGaAsP或InGaAsP在此波段下为直接带隙跃迁，其带隙宽度足以保证有较低的体漏电流密度。在结构上使用薄的耗尽层，也能保证对光信号有快的响应速度。因此，Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体光电探测器适合在1.3μm和1.55μm波段的光纤通信系统中使用。对于适合的光纤通信系统中使用的APD，如果在吸收区采用InGaAs（P），而在雪崩倍增区采用硅材料，那么必将获得高性能的快速响应的APD。通过外延生长技术集成大晶格失配的Si和InGaAs（P）难以获得低穿透位错密度的界面。大密度的穿透位错会导致大的暗电流，使探测器难以产生雪崩倍增。利用键合技术，将具有理想的雪崩倍增效果的Si晶体和具有很好吸收特性的InGaAs晶体键合，可以获得更高的增益带宽积、更低的噪声和更好的温度特性。

美国MAXIM公司的DC—DC芯片MAX5026设计出一种低纹波、高稳定、线性可调的APD直流偏置电压源。MAX5026是一个专门为APD、LCD、低噪声变容二极管等提供直流偏置电源的表帖元件，其内部的横向DMOS开关器件频率固定为500K，且具有40V的耐压极限。工作时使用了一个工作于非连续电流模式的电感，有意减慢开关速度，以降低高频电压毛刺。很好的解决了APD工作时对电压稳定性要求高的特点，以此达到很高的信噪比。

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四川理工学院毕业设计（论文）

单光子探测器核心器件APD的各项性能参数都与环境温度、偏压稳定度、探测电路设计的优劣有着极大的关系。要维持APD的优良性能，实际应用时必须就半导体器件进行制冷处理，加大了设备的体积和能耗，对制冷仪器提出了较高要求同时还增加了成本，这是APD在实际应用中急切需要解决的问题。

经过一段时间的查阅，掌握了完成毕业论文所需要的基本资料，以上是对资料的综合描述，这些资料对完成论文有很大的帮助。除了参考文献中列出的文献可以参考外，还可以参考一些其他的相关资料，比如器件的用户手册和数据手册等。

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文献综述

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/r1dr.html