光電二極管光電特性測試

一、實驗?zāi)康?br /> 1、了解光電二極管的工作原理和使用方法；
2、掌握光電二極管的光照度特性及其測試方法。
 
二、實驗內(nèi)容
1、暗電流測試；
2、當(dāng)光電二極管的偏置電壓一定時，光電二極管的輸出光電流與入射光的照度的關(guān)系測量。
 
三、預(yù)備知識
光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)是一種內(nèi)光電效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)是光照使不均勻半導(dǎo)體或均勻半導(dǎo)體中光生電子和空穴在空間分開而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。對于不均勻半導(dǎo)體，由于同質(zhì)的半導(dǎo)體不同的摻雜形成的PN結(jié)、不同質(zhì)的半導(dǎo)體組成的異質(zhì)結(jié)或金屬與半導(dǎo)體接觸形成的肖特基勢壘都存在內(nèi)建電場，當(dāng)光照射這種半導(dǎo)體時，由于半導(dǎo)體對光的吸收而產(chǎn)生了光生電子和空穴，它們在內(nèi)建電場的作用下就會向相反的方向移動和聚集而產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象是非常重要的一類光生伏特效應(yīng)。均勻半導(dǎo)體體內(nèi)沒有內(nèi)建電場，當(dāng)光照射時，因眼光生載流子濃度梯度不同而引起載流子的擴散運動，且電子和空穴的遷移率不相等，使兩種載流子擴散速度的不同從而導(dǎo)致兩種電荷分開，而出現(xiàn)光生電勢。這種現(xiàn)象稱為丹倍效應(yīng)。此外，如果存在外加磁場，也可使得擴散中的兩種載流子向相反方向偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生光生電勢。通常把丹倍效應(yīng)和光磁電效應(yīng)成為體積光生伏特效應(yīng)。
 
四、實驗儀器
1、光電探測原理實驗箱                                                    一臺
2、連接導(dǎo)線                                                              若干
 
五、實驗原理
1、光電二極管結(jié)構(gòu)原理
光電二極管的核心部分也是一個PN結(jié)，和普通二極管相比有很多共同之處，它們都有一個PN結(jié)，因此均屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€性元件。但光電二極管作為一種光電器件，也有它特殊的地方。例如，光電二極管管殼上的一個玻璃窗口能接收外部的光照；光電二極管PN結(jié)勢壘區(qū)很薄，光生載流子的產(chǎn)生主要在PN結(jié)兩邊的擴散區(qū)，光電流主要來自擴散電流而不是漂移電流；又如，為了獲得盡可能大的光電流，PN結(jié)面積比普通二極管要大的多，而且通常都以擴散層作為受光面，因此，受光面上的電極做的很小。為了提高光電轉(zhuǎn)換能力，PN結(jié)的深度較普通二極管淺。圖2.1為光電二極管外形圖（a）、結(jié)構(gòu)簡圖（b）、符號（c） 和等效電路圖（d）。
 
                                  
         a                 b              c                  d
                                 圖  2.1
光電二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)（見圖2.2，圖中E為反向偏置電壓），在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），這個反向電流稱為暗電流，當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，稱為光生載流子。它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。如果在外電路上接上負載，負載上就獲得了電信號。因此光電二極管在不受光照射時處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時處于導(dǎo)通狀態(tài)。 
 
 
 
                         
 
 
 
 
 
 
 
圖  2.2
隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，光信號在探測靈敏度、光譜響應(yīng)范圍及頻率特性等方面的要求越來越高，為此，近年來出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的光伏探測器，如硅、鍺光電二極管、PIN 光電二極管、雪崩光電二極管（APD）等。
光電二極管目前多采用硅或鍺制成，但鍺器件暗電流溫度系數(shù)遠大于硅器件，工藝也不如硅器件成熟，雖然它的響應(yīng)波長大于硅器件，但實際應(yīng)用尚不及后者廣泛。下面著重介紹硅光電二極管的結(jié)構(gòu)及工作原理。
普通PN結(jié)硅光電二極管存在表面漏電流，為了減小表面漏電流，在器件的SiO2表面保護層中間擴散一個環(huán)行PN結(jié)，給環(huán)行結(jié)稱為環(huán)極。在有環(huán)極的硅光電二極管中，通常有三根引出線：環(huán)極、前極和后極。通常環(huán)極接電源正極，后極接電源負極，前極通過負載接電源正極，如圖2.3。由于環(huán)極電位高于前極在環(huán)極形成阻擋層阻止表面漏電流流過，可使得負載的漏電流很?。ㄐ∮?.05μA）。若不使用環(huán)極也可將其斷開做為空腳。
硅光電二極管的封裝可采用平面鏡和聚焦透鏡作入射窗口。采用凸透鏡有聚光作用，有利于提高靈敏度。由于聚焦位置與入射光方向有關(guān)，因此能夠減小雜散背景光的干擾，但也引起靈敏度隨入射光方向而變化。所以在實際使用中入射光的對準(zhǔn)是值得注意的問題。采用平面鏡作窗口，雖然沒有對準(zhǔn)問題但要受到背景雜散光的干擾，在具體使用時，視系統(tǒng)的要求而定。
 
                                 圖  2.3
2、光電二極管的基本光照特性
光電二極管在一定偏壓下，當(dāng)入射光的強度發(fā)生變化，通過光電二極管的電流隨之變化，并且光電流和照度成線性關(guān)系。當(dāng)沒有光照射時，測得的電流為暗電流。
 
六、實驗注意事項
1、光電二極管偏壓不要接反；
2、若照度計或電流表顯示為“1＿”時說明超出量程，應(yīng)改為合適的量程再測試；
3、連線之前要保證電源關(guān)閉。
 
七、實驗步驟
實驗裝置原理框圖如圖2.4所示。
 
                                圖  2.4
1、負載RL選擇RL1=2.4K。將面板上“光電二極管偏置電壓輸入＋”端與電流表“＋”端用導(dǎo)線連接，電流表“－”端與RL1任一端連接，RL1另一端與“光電二極管偏置電壓輸入－”端相連，此時光電二極管偏壓為零。
2、電流表檔位調(diào)節(jié)至20μA檔，將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置。打開電源開關(guān)，順時針調(diào)節(jié)該旋鈕，增大光照度值，分別記下不同照度下對應(yīng)的光生電流值，填入表2.1。若電流表或照度計顯示為“1＿”時說明超出量程，應(yīng)改為合適的量程再測試。

光照度（Lx）	0	50	100	150	200	300
光生電流（μA）

                             表  2.1
3、將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)到最小值位置后關(guān)閉電源。
4、作出零偏壓下光電二極管的光照度—電流曲線。
5、將電壓表調(diào)到20V檔，“幅度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)至最小值位置。將“直流電源0-12V”端與電壓表“＋”端用導(dǎo)線連接，將“直流電源”的另一端（接地端）與電壓表“－”端相連。打開電源開關(guān)，順時針調(diào)節(jié)“幅度調(diào)節(jié)”旋鈕，直至電壓表顯示為6.00V為止。關(guān)閉電源開關(guān)，拆掉電壓表兩端與“直流電源”兩端之間的連線，拆掉電流表“－”端與RL1之間的連線。
6、將“直流電源0-12V”端（即圖2.4中的Ui+端）與RL1相連，將“直流電源”接地端（即圖2.4中的Ui-端）與電流表“－”端用導(dǎo)線連接。將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置，打開電源開關(guān)，記下此時電流表的讀數(shù)，即為暗電流值。
7、重復(fù)步驟2,將數(shù)據(jù)填入表2.2中。作出在－6V偏壓下光電二極管的光照度—電流曲線。
 

光照度（Lx）	0	50	100	150	200	300
光生電流（μA）

表  2.2
8、比較兩條曲線的區(qū)別。
9、實驗完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。
 
八、實驗報告要求
1、根據(jù)實驗測試記錄，在坐標(biāo)紙上畫出不同偏壓下的照度—電流曲線圖，并分析實驗現(xiàn)象。
2、寫出完成本次實驗后的心得體會以及對本次實驗的改進意見。
 
九、思考題
分析并比較零偏壓和-6V偏壓下光照度—電流曲線的區(qū)別，分析區(qū)別產(chǎn)生的原因。