实验14半导体光电二极管伏安特性的测定-电子科技大学.PDF

实验 14 半导体光电二极管伏安特性的测定 光电二极管是现代光学测试和光通讯中十分常用的器件。由于材料不同或制造工艺的 差异，使不同的光电二极管具有不同的光电特性。伏安特性能够较好地反映光电二极管的 偏置电压对其输出特性的影响；因此，准确地测定光电二极管的伏安特性，是正确使用光 电二极管的必要技术措施。 【预习提要】 （1）为什么光电二极管经常工作在反向偏压状态？ （2 ）为什么必须使用图 3 所示电路测量光电二极管的伏安特性？ （3 ）什么是光电二极管的光电特性，它在 IL-P 坐标系中的斜率是表征什么的重要参 数？如何求得？ 【实验要求】 1．了解光电二极管结构及工作原理 2 ．熟悉光电二极管的基本性能 3 ．掌握光电二极管伏安特性的测试技术 4 ．掌握光电二极管在光电转换技术中的正确使用方法 【实验目的】 （1）测定并描绘光电二极管的伏安特性曲线。 （2 ）根据实验数据绘出光电二极管的电光特性并计算光电二极管在峰值波长下的响应 度 R 值。 【仪器设备】 1．MOE-A 型半导体电光/光电器件特性测试仪 2 ．ZX21 型旋转式电阻箱 【实验原理】 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，现就它的基本结构、工作原理、伏安特性及其应用技术等问题论述如下： 一、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—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进 入其光敏区的窗口，此外，与普通二极管不同，它经常工作在反向偏置电压状态(如图 4-14-1(a)所示)或无偏压状态(如图 4-14-1(b)所示) 。在反偏电压状态下，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。 无光照射，反向偏置的 P-N 结只有 很小的反向漏电流，称为暗电流。当有 光子能量大于 P—N 结半导体材料的带 隙宽度 Eg 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 （a ）反向偏压工作状态 （b ）无偏压工作状态 电子，与此同时也产生一个自由空穴， 图 4-14-1 光电二极管的结构及工作方式 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。形成光电流的主要靠空间电荷区的光生载流子，因为在空间电荷 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。 二、光电二极管的伏安特性 根据半导体理论，光电二极管的伏—安特性可用下式表示： I = I 1− exp(q V /kT ) + I （4-14-1 ） 0 [ ] L 其中 I0 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 ，IL 是无偏压状态下光照时的短路电