光电二极管特性测试

实验20 半导体光电二极管伏安特性的测定

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。了解光电二极管结构、工作原理、伏安特性及其测量技术，是学习和掌握近代科学技术必不可少的基础知识。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可为今后在科研设计中使用半导体光电二极管打下一定基础． 【实验目的】

了解光电二极管结构及工作原理 熟悉光电二极管的基本性能 学习光电二极管伏安特性的测量技术

了解光电二极管在光电转换技术中的正确使用方法 【实验仪器】：

MOE--A型光电二极管伏安特性测试仪 电阻箱 电阻 导线等 【实验原理】：

1. 半导体光电二极管的结构及工作原理

半导体光电二极管除与普通的半导体二极管一样，具有一个 p-n结外，表现还在其管壳上有一个能让光照射入其光敏区的窗口。与普通二极管不同，它经常

图1 光电二极管的结构及工作方式

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。无光照射时，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。形成光电流的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p区和n区之间再加一层杂志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。

2．光电二极管的伏安特性

光电二极管的伏—安特性可用下式表示： I=I0[1-exp(qv/kT)]+IL (1)

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是无偏压状态下的短路电流，它与光照时的光功率成正比。式中的I0和IL均是反向电流，即从光电二极管负极流向正极的电流。根据式(1)，光电二极管的伏安特性曲线如图2所示，对应图1a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三象限的伏安特性曲线交点确定。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：

1). 光电二极管既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。

2). 反向偏压工作状态下，在外加电压E和负载电阻RL的很大变化范围内，光电流与入射的光功率均具有很好的线性关系；无偏压工作状态下，只有RL较小时光电流才与入照光功率成正比，RL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IL-P坐标系中的斜率

R≡

∆IL∆P

(μA/μW)

定义为光电二极管的响应度，这时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。

5). 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0.4~1.1μm之间，峰值响应波长在0.8~0.9μm范围内。在峰值响应波长下，响应度R的典型值在0.25~0.5μA/μW的范围内。 3.光电二极管伏安特性的测定方法

1). LED电光特性的测定

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。LED的电光特性是指其输出光功率与工作电流之间的关系。其测量电路如图3，光功率与工作电流可分别从光功率计和毫安表测出。

2).光电二极管在第三象限内伏安特性的测定

如图4所示。由IC1为主构成的电路是一个电流—电压变换电路，根据理想运算放大器的特点（两输入端等电位，两输入端上无电流）可得：

V （由伏特表读出） I

UR

0f

已知R

f

后，就可根据上式由U0计算出相应的光电流I。而伏特表读数为光电二极管两端电压。

3). 光电二极管第四象限伏安特性测定

如图5所示。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RL，使它的端电压从0逐渐增加，记录下相应的RL值和IC2的输出电压U0， 则可由关系式I=U【仪器结构】

本仪器由光源、光功率计、被测光电二极管及其测试电路和仪表等几部组成。光源部分含半导体发光

/RL算出相应的光电流I。U0亦为光电二极管两端电压，由毫伏表测出。

二极管LED及其驱动电路。LED的光功率经光导纤维输出。硅光电二极管(SPD)，既作光功率计的光电探头，也是被测的光电二极管。当“数显切换”开关拨至左侧时，只要光电二极管插入仪器面板上的“数字仪表输入插孔”内(插入时注意红、黑颜色的对应关系) 数字表头就成了光功率计。当“数显切换”开关拨至右侧时，数字仪表就是一个3位半的直流毫伏表，用带香蕉插头的联线可把其输入插孔接至仪器前面板上画出的测试电路中标有记号的部位。 【实验步骤】

1、 光源器件(LED)电光特性的测定

（1）把两端带拾音插头的单芯电缆线的一端插入仪器前面板上“LED插孔”内，另一端插入光纤绕纤盘上相应插孔内；

（2）把光电二极管的两个引出脚插入“数字仪表输入插孔”中，与此同时“数显切换”开关拨至左侧，把光电探头插入光纤绕纤盘上引出光导纤维输出端面的同轴插孔中；

（3）打开仪器电源开关，把 “LED电流调节”旋钮转至左极限位置，使直流毫安表读数为零，观察光功率计示值也是否为零，若不为零，记录零差。

（4）向右转动“LED电流调节”旋钮，使毫安表指示为30mA左右，观察光功率计读数。把光电探头绕同轴插孔的轴线慢慢转动，使光功率计读数尽量接近最大值(即光导纤维与SPD间的光耦合尽量接近最佳状态)，并在整个实验过程中注意保持这一耦合状态不变。

（5）调节“LED电流调节”电位器，从0开始，逐渐增大LED的工作电流并记录相应的光功率计示值(以μW为单位)，把数据填入表1。

2、 光电二极管伏安特性的测试

把 LED在0～50mA范围内输出光功率值分别为0，P1，P2，P3，P4和P5的六种情况下，按以下步骤测试SPD的伏安特性。

（1）保持SPD与光导纤维输出端面的光耦合状态不变，把SPD的两个引脚插入仪器面板上“SPD”的两个插孔内(注意红、黑色的对应关系！

（2）把“数显切换”开关拨至右侧

（3）用带香樵插头的联线把指示SPD反压的直流电压表按正确的极性关系接入SPD反向伏安特性测试电路中。

（4）把“特性测试切换”开关拨至右侧并用带香樵插头的导线把数字仪表的正极接至反向特性测试电路中带”V0”标记的I-V变换电路的输出端

（5）转动“反压调节”电位器使直流电压指示从大开始缓慢下降，每下降2伏读取一次数字毫伏表的读数，直到零伏为止。

（6）保持LED工作电流不变，把“特性测试切换”开关拨至左侧，进行SPD正向伏安特性的测定。进行正向伏安特性测定之前需把外接电阻箱接入仪器面板上标表的相关位置。

（7）从零开始，逐渐增加外接电阻箱的阻值，并用数字毫伏表测量光电流在其上产生的压降，该压降向负方向每增加∆V mV(具体数字根据实验时的光照和开路电压确定)就记录一下电阻箱的读数，把数据填入表中，直到电阻箱开路为止。

完成以上测试后，在保持LED尾纤输出端与SPD光耦合状态不变的情况下，改变LED的工作电流至另一需要值，重复（4）~（7）步骤的操作，进行另一条伏安特性曲线的测定。

在测定完预定的各条伏安特性曲线后，关掉仪器电源，用数字万用表电阻档测量和记录下反向特性测试电路中Rf的阻值，供数据处理时用。

注意∶

在测试SPD的反向伏安特性时，当入照光功率和反偏电压均为零时，光电流也应为零，此时I-V变换电路的输出电压也应为零；在测试SPD的正向伏安特性时，当SPD处于短路状态下(即外接电阻箱的阻值为零时)，无论有无入照光功率，其端电压也应为零。在实际测量中，若对应以上两种情况数字毫伏表的示值不为零，则需处理零差。

【数据记录与处理】 一． 数据记录表格

1. LED电光特性 表1：LED电光特性

2. 光电二极管反向伏安特性 表2.1： P= μW

R

f

= I=U0R

f

表2.2： P= μW R

f

= I=U0R

f

表2.3： P= μW R

f

= I=U0R

f

表2.4： P= μW R

f

= I=U0R

f

表2.5： P= μW R

f

= I=U0R

f

表2.6： P= μW Rf

= I=

U0R

f

3. 光电二极管正向伏安特性 表3.1：

P= μW I=

U

RL

表3.2： P= μW I=

U

RL

表3.3： P= μW I=

U

RL

表3.4： P= μW I=

U

RL

表3.5： P= μW I=

U

RL

4. SPD光电特性

二、数据处理

1. 绘制光电二极管在第三、 象限内的伏安特性曲线； 2.绘制SPD光电特性

IL-P曲线，用图解法测出被测光电二极管的响应度R值。