半导体光电二极管伏安特性的实验测定

1、半导体光电二极管伏安特性的实验测定朱世国1周积骏2(1四川大学物理系成都6100642成都气象学院610041摘要论述了半导体光电二极管的结构、工作原理、基本性能及其伏安特性实验测定技术.关键词半导体光电二极管伏安特性响应度半导体光电二极管在光测技术、光纤通信、自动检测和自动控制等技术领域中应用十分广泛,因此在基础物理实验阶段让学生了解光电二极管结构及原理、熟悉光电二极管的基本性能和掌握它在光电转换技术中的正确使用方法很有必要.为此在物理实验课教学内容的改革中,我们开发了“半导体光电二极管伏安特性的实验测定”的新实验,并研制出了与之配套使用的新型教学仪器M OE -A 型光电二极管伏安特性测试

2、仪.现就这一实验中涉及的光电二极管的基本结构、工作原理、伏安特性及其测量技术等问题论述如下.1半导体光电二极管的结构及工作原理 半导体光电二极管与普通的半导体二极管一样,都具有一个p -n 结,但光电二极管在外形结构方面有它自身的特点,这主要表现在光电二极管的管壳上有一个能让光照射入其光敏区的窗口,此外,与普通二极管不同是它经常工作在反向偏置电压状态(如图1a 所示或无偏压状态(如图1b 所示.在反向偏置电压状态下,p -n 结的空间电荷区的势垒增高、宽度加大、结电阻增加、结电容减小,所有这些均有利于提高光电二极管的高频响应性能.无光照时,反向偏置的p-n 结只有很小的反向漏电流,称为暗电流.

3、当有光子能量大于p-n 结半导体材料的带隙宽度E g 的光波照射到光电二极管的管芯时,p-n 结各区域中的价电子吸收光能后将挣脱价键的束缚而成为自由电子,与此同时也产生一个自由空穴,这些由光照产生的自由电子空穴对统称为光生载流子.在远离空间电荷区(亦称耗尽区的p 区和n 区内,电场强度很弱,光生载流子只有扩散运动,它们在向空间电荷区扩散的途中因复合而被消失掉,故不能形成光电流.形成光电流主要靠空间电荷区的光生载流子,因为在空间电荷区内电场很强,在此强电场作用下,光生自由电子空穴对将以很高的速度分别向n 区和p 区运动,并很快越过这些区域到达电极沿外电路闭合形成光电流,光电流的方向是从二极管的负

4、极流向它的正极,并且在无偏压短路的情况下与入射的光功率成正比,因此在光电二极管的p -n 结中,增加空间电荷区的宽度对提高光电转换效率有着密切关系.为此目的,若在p-n 结的p 区和n 区之间再加一层杂质浓度很低以致可近似为本征半导体(用i 表示的i 层,就形成了具有p-i-n 三层结构的半导体光电二极管,简称PIN 管,PIN 光电二极管的p-n 结除具有较宽的空间电荷区外,还具有很大的结电阻和很小的结电容,这些特点使得PIN 管在光电转换效率和高频响应特性等方面与普通光电二极管相比均得到了很大改善.图1光电二极管的结构及工作方式2光电二极管的伏安特性根据文献1,光电二极管的伏-安特性可表示

5、为I =I 01-exp(qV /kT +I L(1其中I 0是无光照的反向饱和电流,V 是二极管的端电压(正向电压为正,反向电压为负,q 为电子电荷,k 为波耳兹曼常数,T 是结温,单位为K ,I L 是无偏压状态下光照时的短路电流,它与光照时的光功率成正比.(1式中的I 0和I L 均是反向电流,即从光电二极管负极流向正极的电流.根据(1式,光电二极管的伏安特性曲线如图2所示,对应图1a 所示的反偏工作状态,光电二极管的工作点由负载线与第三象限伏安特性曲线的交点确定;对应图1b 所示的无偏压工作状态光电二极管的工作点由负载线与第四象限的伏安特性曲线交点确定.由图2可以看出: 图2光电二极管

6、的伏安特性曲线及工作点的确定1光电二极管即使在无偏压或反向偏压的工作状态下,也有反向电流流过,这与普通二极管只具有单向导电性相比有着本质的差别,认识和熟悉光电二极管的这一特点对于在光电转换技术中正确使用光电器件具有十分重要意义.2反向偏压工作状态下,在外加电压E 和负载电阻R L 的很大变化范围内,光电流与入照的光功率均具有很好的线性关系;无偏压工作状态下,只有R L 较小时光电流才与入照光功率成正比,R L 增大时,光电流与光功率呈非线性关系.无偏压状态下,短路电流与入照光功率的关系称为光电二极管的光电特性,这一特性在I L -P 坐标系中的斜率R I LP(2定义为光电二极管的响应度,单位

7、为 A / W ,这是一个宏观上表征光电二极管光电转换效率的一个重要参数.3在光电二极管处于开路状态的情况下,光照时产生的光生载流子不能形成闭合的光电流,它们只能在p -n 结空间电荷区的内电场作用下,分别堆积在p-n 结空间电荷区两侧的n 层和p 层内,产生外电场,此时光电二极管表现出具有一定的开路电压.不同光照情况下的开路电压就是伏安特性曲线与横坐标轴交点所对应的电压值,由图2可见,光电二极管的开路电压与入照光功率也是呈非线性关系.4反向偏压状态下的光电二极管,由于在很大的动态范围内其光电流与偏压和负载电阻几乎无关,故在入照光功率一定时可视为一个恒流源;而在无偏压工作状态下光电二极管的光电

8、流随负载电阻变化很大,此时它不具有恒流源性质,只起光电池作用.光电二极管的响应度R 值与入照光波的波长有关.本实验中采用的硅光电二极管,其光谱响应波长在0.41.1 m 之间,峰值响应波长在0.80.9 m 范围内.在峰值响应波长下,响应度R 的典型值在0.250.5 A / W 的范围内.3光电二极管伏安特性的测定方法测定光电二极管在第三象限内伏安特性的电路如图3所示.其中LED 是发光中心波长与被测光电二极管的峰值响应波长很接近的GaAs 半导体发光二极管,在这里它作光源使用,其光功率由称为尾纤的光导纤维输出.由IC 1为主构成的电路是一个电流-电压变换电路,它的作用是把流过光电二极管的反

9、向光电流I o 转换成由IC 1输出端C 点的输出电压V o ,它与光电流成正比.整个测试电路的工作原理依据如下:由于IC 1的反相输入端具有很大的输入阻抗,光电二极管受光照时产生的光电流几乎全部流过反馈电阻R f 并在其上产生电压降V cb =R f I .另外,又因IC 1具有很高的开环电压增益,反相输入端具有与同相输入端相同的零电位,故IC 1的输出电压V o 为V o =R f I o (3已知R f 后,就可根据上式由V o 计算出相应的光电流I. 图3光电二极管第三象限伏安特性的测定在图3中,为了使被测光电二极管能工作在不同的反向偏压状态下,设置了由W 2组成的分压电路.光电二极管

10、第四象限伏安特性曲线的测试电路如图4示.在测完一条第三象限的伏安特性曲线后,保持LED 驱动电流不变,调节电阻箱,改变光电二极管的负载电阻R L ,使它的端电压从0逐渐增加,每增加50mV ,记录下相应的R L 值和IC 2的输出电压V o ,则可由关系式I =V o /R L 算出相应的光电流I. 图4光电二极管第四象限伏安特性曲线的测定4实验内容以下实验内容所需的仪器和设备除ZX21型电阻箱外,其余部分均包括在由四川大学物理系研制的M OE-A 型光电二极管伏安特性测试仪中,有关该仪器的使用方法见其说明书.1测定LED 的电光特性曲线LED 的电光特性是指其输出光功率P 与工作电流I D

11、之间的关系,其测量电路如图5所示.测量前应把LED 的尾纤插入光功率计的光电探头内并适当调整其位置使之与光功率计光电探头间的光耦合最佳(在以后的测量过程中注意保持这一最佳耦合状态不变.然后调节W 1使毫安表指示从零逐渐增加,每增加10mA 读取一次光功率计的示值,直到100mA 为止.列表记录下测量数据,根据测量数据用直角坐标纸描绘LED 的电光特性曲线,并根据这一曲线在LED 工作电流从0100mA 的变化范围内查出光功率均分的5个工作点对应的驱动电流值,为以后论述方便起见,对这五个电流值分别标以I 1,I 2,I 3,I 4和I 5.图5L ED 电光特性的测定2测定光电二极管的伏安特性曲线测量LED 的工作电流为0,I 1I 5时所对应的六种光照情况下光电二极管的伏安特性曲线.测量前首先需进行LED 尾纤与被测光电二极管间最佳光耦合的调节.对于每条曲线,先按图3示的电路进行第三象限曲线的测量,测量时,调节W 2使被测二极管的反偏电压从100V 的范围内变化,从10V 开始,每减少1V 用数字毫伏表测量一次IC 1输出电压V o 值,根据这一电压值由(3式即可算出相应的光电流I ,在测完一条第三象限