半導(dǎo)體光電二極管伏安特性的實驗測定

1、半導(dǎo)體光電二極管伏安特性的實驗測定朱世國1周積駿2(1四川大學(xué)物理系成都6100642成都?xì)庀髮W(xué)院610041摘要論述了半導(dǎo)體光電二極管的結(jié)構(gòu)、工作原理、基本性能及其伏安特性實驗測定技術(shù).關(guān)鍵詞半導(dǎo)體光電二極管伏安特性響應(yīng)度半導(dǎo)體光電二極管在光測技術(shù)、光纖通信、自動檢測和自動控制等技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛,因此在基礎(chǔ)物理實驗階段讓學(xué)生了解光電二極管結(jié)構(gòu)及原理、熟悉光電二極管的基本性能和掌握它在光電轉(zhuǎn)換技術(shù)中的正確使用方法很有必要.為此在物理實驗課教學(xué)內(nèi)容的改革中,我們開發(fā)了“半導(dǎo)體光電二極管伏安特性的實驗測定”的新實驗,并研制出了與之配套使用的新型教學(xué)儀器M OE -A 型光電二極管伏安特性測試

2、儀.現(xiàn)就這一實驗中涉及的光電二極管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性及其測量技術(shù)等問題論述如下.1半導(dǎo)體光電二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理 半導(dǎo)體光電二極管與普通的半導(dǎo)體二極管一樣,都具有一個p -n 結(jié),但光電二極管在外形結(jié)構(gòu)方面有它自身的特點,這主要表現(xiàn)在光電二極管的管殼上有一個能讓光照射入其光敏區(qū)的窗口,此外,與普通二極管不同是它經(jīng)常工作在反向偏置電壓狀態(tài)(如圖1a 所示或無偏壓狀態(tài)(如圖1b 所示.在反向偏置電壓狀態(tài)下,p -n 結(jié)的空間電荷區(qū)的勢壘增高、寬度加大、結(jié)電阻增加、結(jié)電容減小,所有這些均有利于提高光電二極管的高頻響應(yīng)性能.無光照時,反向偏置的p-n 結(jié)只有很小的反向漏電流,稱為暗電流.

3、當(dāng)有光子能量大于p-n 結(jié)半導(dǎo)體材料的帶隙寬度E g 的光波照射到光電二極管的管芯時,p-n 結(jié)各區(qū)域中的價電子吸收光能后將掙脫價鍵的束縛而成為自由電子,與此同時也產(chǎn)生一個自由空穴,這些由光照產(chǎn)生的自由電子空穴對統(tǒng)稱為光生載流子.在遠(yuǎn)離空間電荷區(qū)(亦稱耗盡區(qū)的p 區(qū)和n 區(qū)內(nèi),電場強(qiáng)度很弱,光生載流子只有擴(kuò)散運(yùn)動,它們在向空間電荷區(qū)擴(kuò)散的途中因復(fù)合而被消失掉,故不能形成光電流.形成光電流主要靠空間電荷區(qū)的光生載流子,因為在空間電荷區(qū)內(nèi)電場很強(qiáng),在此強(qiáng)電場作用下,光生自由電子空穴對將以很高的速度分別向n 區(qū)和p 區(qū)運(yùn)動,并很快越過這些區(qū)域到達(dá)電極沿外電路閉合形成光電流,光電流的方向是從二極管的負(fù)

4、極流向它的正極,并且在無偏壓短路的情況下與入射的光功率成正比,因此在光電二極管的p -n 結(jié)中,增加空間電荷區(qū)的寬度對提高光電轉(zhuǎn)換效率有著密切關(guān)系.為此目的,若在p-n 結(jié)的p 區(qū)和n 區(qū)之間再加一層雜質(zhì)濃度很低以致可近似為本征半導(dǎo)體(用i 表示的i 層,就形成了具有p-i-n 三層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光電二極管,簡稱PIN 管,PIN 光電二極管的p-n 結(jié)除具有較寬的空間電荷區(qū)外,還具有很大的結(jié)電阻和很小的結(jié)電容,這些特點使得PIN 管在光電轉(zhuǎn)換效率和高頻響應(yīng)特性等方面與普通光電二極管相比均得到了很大改善.圖1光電二極管的結(jié)構(gòu)及工作方式2光電二極管的伏安特性根據(jù)文獻(xiàn)1,光電二極管的伏-安特性可表示

5、為I =I 01-exp(qV /kT +I L(1其中I 0是無光照的反向飽和電流,V 是二極管的端電壓(正向電壓為正,反向電壓為負(fù),q 為電子電荷,k 為波耳茲曼常數(shù),T 是結(jié)溫,單位為K ,I L 是無偏壓狀態(tài)下光照時的短路電流,它與光照時的光功率成正比.(1式中的I 0和I L 均是反向電流,即從光電二極管負(fù)極流向正極的電流.根據(jù)(1式,光電二極管的伏安特性曲線如圖2所示,對應(yīng)圖1a 所示的反偏工作狀態(tài),光電二極管的工作點由負(fù)載線與第三象限伏安特性曲線的交點確定;對應(yīng)圖1b 所示的無偏壓工作狀態(tài)光電二極管的工作點由負(fù)載線與第四象限的伏安特性曲線交點確定.由圖2可以看出: 圖2光電二極管

6、的伏安特性曲線及工作點的確定1光電二極管即使在無偏壓或反向偏壓的工作狀態(tài)下,也有反向電流流過,這與普通二極管只具有單向?qū)щ娦韵啾扔兄举|(zhì)的差別,認(rèn)識和熟悉光電二極管的這一特點對于在光電轉(zhuǎn)換技術(shù)中正確使用光電器件具有十分重要意義.2反向偏壓工作狀態(tài)下,在外加電壓E 和負(fù)載電阻R L 的很大變化范圍內(nèi),光電流與入照的光功率均具有很好的線性關(guān)系;無偏壓工作狀態(tài)下,只有R L 較小時光電流才與入照光功率成正比,R L 增大時,光電流與光功率呈非線性關(guān)系.無偏壓狀態(tài)下,短路電流與入照光功率的關(guān)系稱為光電二極管的光電特性,這一特性在I L -P 坐標(biāo)系中的斜率R I LP(2定義為光電二極管的響應(yīng)度,單位

7、為 A / W ,這是一個宏觀上表征光電二極管光電轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù).3在光電二極管處于開路狀態(tài)的情況下,光照時產(chǎn)生的光生載流子不能形成閉合的光電流,它們只能在p -n 結(jié)空間電荷區(qū)的內(nèi)電場作用下,分別堆積在p-n 結(jié)空間電荷區(qū)兩側(cè)的n 層和p 層內(nèi),產(chǎn)生外電場,此時光電二極管表現(xiàn)出具有一定的開路電壓.不同光照情況下的開路電壓就是伏安特性曲線與橫坐標(biāo)軸交點所對應(yīng)的電壓值,由圖2可見,光電二極管的開路電壓與入照光功率也是呈非線性關(guān)系.4反向偏壓狀態(tài)下的光電二極管,由于在很大的動態(tài)范圍內(nèi)其光電流與偏壓和負(fù)載電阻幾乎無關(guān),故在入照光功率一定時可視為一個恒流源;而在無偏壓工作狀態(tài)下光電二極管的光電

8、流隨負(fù)載電阻變化很大,此時它不具有恒流源性質(zhì),只起光電池作用.光電二極管的響應(yīng)度R 值與入照光波的波長有關(guān).本實驗中采用的硅光電二極管,其光譜響應(yīng)波長在0.41.1 m 之間,峰值響應(yīng)波長在0.80.9 m 范圍內(nèi).在峰值響應(yīng)波長下,響應(yīng)度R 的典型值在0.250.5 A / W 的范圍內(nèi).3光電二極管伏安特性的測定方法測定光電二極管在第三象限內(nèi)伏安特性的電路如圖3所示.其中LED 是發(fā)光中心波長與被測光電二極管的峰值響應(yīng)波長很接近的GaAs 半導(dǎo)體發(fā)光二極管,在這里它作光源使用,其光功率由稱為尾纖的光導(dǎo)纖維輸出.由IC 1為主構(gòu)成的電路是一個電流-電壓變換電路,它的作用是把流過光電二極管的反

9、向光電流I o 轉(zhuǎn)換成由IC 1輸出端C 點的輸出電壓V o ,它與光電流成正比.整個測試電路的工作原理依據(jù)如下:由于IC 1的反相輸入端具有很大的輸入阻抗,光電二極管受光照時產(chǎn)生的光電流幾乎全部流過反饋電阻R f 并在其上產(chǎn)生電壓降V cb =R f I .另外,又因IC 1具有很高的開環(huán)電壓增益,反相輸入端具有與同相輸入端相同的零電位,故IC 1的輸出電壓V o 為V o =R f I o (3已知R f 后,就可根據(jù)上式由V o 計算出相應(yīng)的光電流I. 圖3光電二極管第三象限伏安特性的測定在圖3中,為了使被測光電二極管能工作在不同的反向偏壓狀態(tài)下,設(shè)置了由W 2組成的分壓電路.光電二極管

10、第四象限伏安特性曲線的測試電路如圖4示.在測完一條第三象限的伏安特性曲線后,保持LED 驅(qū)動電流不變,調(diào)節(jié)電阻箱,改變光電二極管的負(fù)載電阻R L ,使它的端電壓從0逐漸增加,每增加50mV ,記錄下相應(yīng)的R L 值和IC 2的輸出電壓V o ,則可由關(guān)系式I =V o /R L 算出相應(yīng)的光電流I. 圖4光電二極管第四象限伏安特性曲線的測定4實驗內(nèi)容以下實驗內(nèi)容所需的儀器和設(shè)備除ZX21型電阻箱外,其余部分均包括在由四川大學(xué)物理系研制的M OE-A 型光電二極管伏安特性測試儀中,有關(guān)該儀器的使用方法見其說明書.1測定LED 的電光特性曲線LED 的電光特性是指其輸出光功率P 與工作電流I D

11、之間的關(guān)系,其測量電路如圖5所示.測量前應(yīng)把LED 的尾纖插入光功率計的光電探頭內(nèi)并適當(dāng)調(diào)整其位置使之與光功率計光電探頭間的光耦合最佳(在以后的測量過程中注意保持這一最佳耦合狀態(tài)不變.然后調(diào)節(jié)W 1使毫安表指示從零逐漸增加,每增加10mA 讀取一次光功率計的示值,直到100mA 為止.列表記錄下測量數(shù)據(jù),根據(jù)測量數(shù)據(jù)用直角坐標(biāo)紙描繪LED 的電光特性曲線,并根據(jù)這一曲線在LED 工作電流從0100mA 的變化范圍內(nèi)查出光功率均分的5個工作點對應(yīng)的驅(qū)動電流值,為以后論述方便起見,對這五個電流值分別標(biāo)以I 1,I 2,I 3,I 4和I 5.圖5L ED 電光特性的測定2測定光電二極管的伏安特性曲線測量LED 的工作電流為0,I 1I 5時所對應(yīng)的六種光照情況下光電二極管的伏安特性曲線.測量前首先需進(jìn)行LED 尾纖與被測光電二極管間最佳光耦合的調(diào)節(jié).對于每條曲線,先按圖3示的電路進(jìn)行第三象限曲線的測量,測量時,調(diào)節(jié)W 2使被測二極管的反偏電壓從100V 的范圍內(nèi)變化,從10V 開始,每減少1V 用數(shù)字毫伏表測量一次IC 1輸出電壓V o 值,根據(jù)這一電壓值由(3式即可算出相應(yīng)的光電流I ,在測完一條第三象限