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技术领域中应用十分广泛，因此在基础物理实验中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。四川大学物理学院开发了“半导体光电二极管伏安特性测试仪”，并研制出与之配套使用的新型教学仪器——MOE-A型光电二极管伏安特性测试仪。
现就半导体光电二极管的基本结构、工作原理、伏安特性及其应用技术等问题进行讨论:
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一样，都具有一个pn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，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1b所示)。在反偏电压状态下，pn结的空间电荷区的势垒增高、宽度加大、结电阻增加、结电容减少，所有这些均有利于提高光电二极管的高频响应性能。无光
a反向偏压工作状态b 无偏压工作状态
图1 光电二极管的结构及工作方式
照时，反向偏置的pn结只有很小的反向漏电流，称为暗电流。当有光子能量大于pn结半 导体材料的带隙宽度Eg的光照射到光电二极管的管芯时，pn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区运行，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pn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pn结的p区和n区之间再加一层杂质浓度很低可近似看作是本征半导体(用i表示)，这样形成了具有p,i,n三层结构的半导体光电二级管，简称pin管，pin光电二极管的pn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，光电二极管的伏一安特性可用下式表示:
I,I[l,exp(qV,kT)]，I(1) 0L
其中I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0
负)，q为电子电荷，k为波耳兹数，T是pn结的温度。单位为K，I是无偏压状态下光照L
时的短路电流，它与光照时的光功率成正比。(1)式中的I和I均是反向电流，即从光电二0L
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la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 光电二极管的伏安特性曲线及工作点的确
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的很大变化范围内，光电流与L
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较小时光电流才与入照L
光功率成正比，R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L
射光功率的关系称为光电二极管的光电特性，这一特性在I—P坐标系中的斜率 L
,ILR, (2) ,P
定义为光电二极管的响应度，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，单位为A/W。
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pn结空间电荷区的内电场作用下，分别堆积在pn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。
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0.25,0.5A/W的范围内。
三、光电二极管伏安特性曲线的测定
测试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IC1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向电流I转换成由IC1输出端C点对反相输入端b点间的电压Vcb，因为直接测量Vcb会造成测试电路对光电流的分流，影响测量结果的准确性，所以由IC2为主构成的减法电路将电压Vcb转换成与光电流成正比的输出电压V。整个测试电路的工作原理依据如下:由于IC1的反相输人端具有很大的输入阻抗，光O
,RI。电二极管受光照时产生的光电流几乎全部流过反馈电阻R4并在其上产主电压降Vcb4另外，又因IC1具有很高的开环电压增益，反相输入端与同相输人端对地的电压几乎相等，故Vca,Vcb,RI。此外在由IC2构成的减法电路中。只要R=R和R,R，则其输出电45678压Vo与差分输入电压Vca相等，即
V=Vc-Va=Vca= RI (3) O4
已知R后，就可根据上式由Vo计算出相应的光电流I。 4
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R和3W组成的分压电压;电位器W、开关K用于IC2输出电压的零点调节。 23
图3 光电二极管第三象限伏安特性的测定
光电二极管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;使它L的端电压从0,200mv逐渐增加。每增加50mv，记录下相应的R值。在数字电压表内阻比L
R。大很多的情况下，则光电流I可以由下面的式子计算:
I=V,R (4) L
图4(光电M级管第四象限伏安特性曲线的测定 图5(LED电光特性的测定
多大,
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