光电二极管光电特性测试

一、实验目的
1、了解光电二极管的工作原理和使用方法；
2、掌握光电二极管的光照度特性及其测试方法。
 
二、实验内容
1、暗电流测试；
2、当光电二极管的偏置电压一定时，光电二极管的输出光电流与入射光的照度的关系测量。
 
三、预备知识
光生伏特效应：光生伏特效应是一种内光电效应。光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。对于不均匀半导体，由于同质的半导体不同的掺杂形成的PN结、不同质的半导体组成的异质结或金属与半导体接触形成的肖特基势垒都存在内建电场，当光照射这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产生了光生电子和空穴，它们在内建电场的作用下就会向相反的方向移动和聚集而产生电位差。这种现象是非常重要的一类光生伏特效应。均匀半导体体内没有内建电场，当光照射时，因眼光生载流子浓度梯度不同而引起载流子的扩散运动，且电子和空穴的迁移率不相等，使两种载流子扩散速度的不同从而导致两种电荷分开，而出现光生电势。这种现象称为丹倍效应。此外，如果存在外加磁场，也可使得扩散中的两种载流子向相反方向偏转，从而产生光生电势。通常把丹倍效应和光磁电效应成为体积光生伏特效应。
 
四、实验仪器
1、光电探测原理实验箱                                                    一台
2、连接导线                                                              若干
 
五、实验原理
1、光电二极管结构原理
光电二极管的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比有很多共同之处，它们都有一个PN结，因此均属于单向导电性的非线性元件。但光电二极管作为一种光电器件，也有它特殊的地方。例如，光电二极管管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照；光电二极管PN结势垒区很薄，光生载流子的产生主要在PN结两边的扩散区，光电流主要来自扩散电流而不是漂移电流；又如，为了获得尽可能大的光电流，PN结面积比普通二极管要大的多，而且通常都以扩散层作为受光面，因此，受光面上的电极做的很小。为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。图2.1为光电二极管外形图（a）、结构简图（b）、符号（c） 和等效电路图（d）。
 
                                  
         a                 b              c                  d
                                 图  2.1
光电二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图2.2，图中E为反向偏置电压），在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小（一般小于0.1微安），这个反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，称为光生载流子。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号。因此光电二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。 
 
 
 
                         
 
 
 
 
 
 
 
图  2.2
随着光电子技术的发展，光信号在探测灵敏度、光谱响应范围及频率特性等方面的要求越来越高，为此，近年来出现了许多性能优良的光伏探测器，如硅、锗光电二极管、PIN 光电二极管、雪崩光电二极管（APD）等。
光电二极管目前多采用硅或锗制成，但锗器件暗电流温度系数远大于硅器件，工艺也不如硅器件成熟，虽然它的响应波长大于硅器件，但实际应用尚不及后者广泛。下面着重介绍硅光电二极管的结构及工作原理。
普通PN结硅光电二极管存在表面漏电流，为了减小表面漏电流，在器件的SiO2表面保护层中间扩散一个环行PN结，给环行结称为环极。在有环极的硅光电二极管中，通常有三根引出线：环极、前极和后极。通常环极接电源正极，后极接电源负极，前极通过负载接电源正极，如图2.3。由于环极电位高于前极在环极形成阻挡层阻止表面漏电流流过，可使得负载的漏电流很小（小于0.05μA）。若不使用环极也可将其断开做为空脚。
硅光电二极管的封装可采用平面镜和聚焦透镜作入射窗口。采用凸透镜有聚光作用，有利于提高灵敏度。由于聚焦位置与入射光方向有关，因此能够减小杂散背景光的干扰，但也引起灵敏度随入射光方向而变化。所以在实际使用中入射光的对准是值得注意的问题。采用平面镜作窗口，虽然没有对准问题但要受到背景杂散光的干扰，在具体使用时，视系统的要求而定。
 
                                 图  2.3
2、光电二极管的基本光照特性
光电二极管在一定偏压下，当入射光的强度发生变化，通过光电二极管的电流随之变化，并且光电流和照度成线性关系。当没有光照射时，测得的电流为暗电流。
 
六、实验注意事项
1、光电二极管偏压不要接反；
2、若照度计或电流表显示为“1＿”时说明超出量程，应改为合适的量程再测试；
3、连线之前要保证电源关闭。
 
七、实验步骤
实验装置原理框图如图2.4所示。
 
                                图  2.4
1、负载RL选择RL1=2.4K。将面板上“光电二极管偏置电压输入＋”端与电流表“＋”端用导线连接，电流表“－”端与RL1任一端连接，RL1另一端与“光电二极管偏置电压输入－”端相连，此时光电二极管偏压为零。
2、电流表档位调节至20μA档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。打开电源开关，顺时针调节该旋钮，增大光照度值，分别记下不同照度下对应的光生电流值，填入表2.1。若电流表或照度计显示为“1＿”时说明超出量程，应改为合适的量程再测试。

光照度（Lx）	0	50	100	150	200	300
光生电流（μA）

                             表  2.1
3、将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源。
4、作出零偏压下光电二极管的光照度—电流曲线。
5、将电压表调到20V档，“幅度调节”旋钮逆时针调至最小值位置。将“直流电源0-12V”端与电压表“＋”端用导线连接，将“直流电源”的另一端（接地端）与电压表“－”端相连。打开电源开关，顺时针调节“幅度调节”旋钮，直至电压表显示为6.00V为止。关闭电源开关，拆掉电压表两端与“直流电源”两端之间的连线，拆掉电流表“－”端与RL1之间的连线。
6、将“直流电源0-12V”端（即图2.4中的Ui+端）与RL1相连，将“直流电源”接地端（即图2.4中的Ui-端）与电流表“－”端用导线连接。将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置，打开电源开关，记下此时电流表的读数，即为暗电流值。
7、重复步骤2,将数据填入表2.2中。作出在－6V偏压下光电二极管的光照度—电流曲线。
 

光照度（Lx）	0	50	100	150	200	300
光生电流（μA）

表  2.2
8、比较两条曲线的区别。
9、实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。
 
八、实验报告要求
1、根据实验测试记录，在坐标纸上画出不同偏压下的照度—电流曲线图，并分析实验现象。
2、写出完成本次实验后的心得体会以及对本次实验的改进意见。
 
九、思考题
分析并比较零偏压和-6V偏压下光照度—电流曲线的区别，分析区别产生的原因。