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适用课程:&大学物理实验（理工）Ⅰ-1(),大学物理实验（医学）(),综合设计与创新物理实验(),探索型物理实验(),物理演示实验-1()【访问量：894264】
半导体光电二极管伏安特性的测定
半导体材料和技术是现代技术的重要组成部分。半导体光电二极管在现代光通讯技术中起作十分重要的作用。在光测技术、光纤通信、自动检测和自动控制技术等领域中，半导体光电二极管的应用将会越来越广泛。因此在基础物理实验中开设“半导体光电二极管伏安特性的测定”实验，让学生了解发光二极管和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。
【实验目的】
1. 了解发光二极管的结构和工作原理。
2. 了解光电二极管的结构和工作原理。
3. 熟悉光电二极管的基本性能。
4. 学习光电二极管伏安特性的测试方法。
5. 掌握发光二极管和光电二极管在光电转换技术中的使用方法。
【实验原理】
1. 半导体发光二极管（LED）
半导体是由大量原子有序排列构成的共价晶体，由于临近原子的相互作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带，其中高能级称为导带，低能级称为价带，高低能级之间称为禁带。价带中的部分电子因热激发可越过禁带进入导带形成自由电子，而在价带中留下空穴。一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的。在本征半导体中掺入施主杂质，导带电子增多,这些电子大部分来自于施主能级，称为N型半导体；在本征半导体中掺入受主杂质，价带空穴增加，这些空穴大部分是由于价带中的电子跃迁到受主能级而留下的，称为N型半导体。在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子（电子或空穴）的梯度，产生载流子扩散运动形成内部电场。内部电场的产生又会反过来使载流子产生与扩散运动相反的漂移运动，达到动态平衡。此时结区内缺乏载流子，电阻很大，该区域又称为耗尽区。外加电场的引入会改变这种平衡，产生一系列载流子的复合与跃迁。
发光二极管（LED）是利用半导体PN结中在正向偏置电压状态下，即P区接正电位，N区接负电位。外加正向电压破坏了原有热平衡，使扩散作用加强，耗尽区宽度变窄。大量额外注入的少数载流子与带有相反电荷的多数载流子复合，辐射发光。LED是一种高效率自发辐射光源。LED主要有5种结构类型，在光纤通信中主要采用面发光（SLED）和边发光（ELED）两种。面发光二极管是正面发光，输出光的方向垂直于PN结平面，发散角约120°；边发光二极管是端面发光，输出光的方向平行于PN结平面，最小发散角约30°。所以边发光二极管与光纤的耦合效率高于面发光二极管。
图1 发光二极管与光电二极管的符号
图1（a）是表示LED的标准符号。当LED加入正向电流时，在LED两端产生一个约2V左右的正向电压，并发出红、绿、黄、桔等可见光或红外光。偏置电压1～2V，工作电流最大约100mA。在驱动电流较低时，发射光功率与驱动电流有较好的线性关系。在使用中LED必须与一个限流元件相串联。光纤通信中一般采用产生红外光的LED，输出光功率最大可达几个mW，入纤光功率只有几十μW。由于LED光谱宽度较宽，调制带宽较窄，LED一般用于显示和光纤模拟通信系统中。实用光纤通信中，普遍采用调制和传输特性优良的半导体激光二极管。
（a）反向偏压工作状态　　　　　
　　　　　（b）无偏压工作状态
图2光电二极管的结构及工作方式
2. 半导体光电二极管的结构和工作原理
半导体光电二极管是一种光电变换器。图1(b)是光电二极管的标准符号。半导体光电二极管具有两个显著特点，其一是光电二极管在外壳上有一个能让光照射入光敏区的窗口，其二是光电二极管经常工作在反向偏置电压状态，即N区接正电位P区接负电位，如图2(a)所示，或无偏压状态，如图2(b)所示。在反偏电压状态下，PN结的耗尽区的势垒增高、宽度加大、结电阻增加、结电容减少。无光照时，反向偏置的PN结只有很小的反向漏电流，称为暗电流。当光电二极管的管芯在受到光照时，如入射光子的能量大于或等于禁带宽度，处于价带的束缚电子挣脱价键的束缚产生受激跃迁成为自由电子，与此同时也产生一个自由空穴，形成额外的载流子。在外加电场作用下，这些载流子的运动会大大增加形成光电流。在远离耗尽区的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耗尽区的光生载流子，因为在耗尽区内电场很强，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，增加耗尽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的薄层（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。
3. 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＝I0[l－exp（qV／kT）]＋IL
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PN结的温度，单位为K，IL是无偏压状态下光照时的短路电流，它与光照时的光功率成正比。(1)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（1）式，光电二极管的伏安特性曲线如图3所示，对应图2(a)所示的反偏工作状态，光电二极管的工作点由负载线与伏安特性曲线的交点确定；对应图2(b)示的无偏压工作状态光电二极管的工作点由负载线与伏安特性曲线交点确定。由图3可以看出：
图3 光电二极管的伏安特性曲线及工作点的确定
（1）在无光照条件下，光电二极管的特性与一般二极管一样。受光照后，其特性曲线沿电流轴向下平移，平移量与光照度成正比。
（2）在有光照时，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。
（3）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，短路电流与入射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
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。
（4）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。
（5）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。
（6）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。
4. 光电二极管伏安特性曲线的测定方法
由于光电二极管主要工作在反偏压或无偏压状态，所以测试光电二极管在第三、四象限内伏安特性尤为重要。
光电二极管第三象限伏安特性曲线的测试电路如图4所示。其中LED是GaAs半导体发光二极管，作发光光源，其中心波长与被测光电二极管的峰值响应波长很接近。光功率由称为尾纤的光导纤维输出，耦合到SPD光电二极管上。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VO。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并在其上产生电压降Vcb＝R4I。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＝R4I。
此外在由IC2构成的减法电路中。只要
R5=R6和R7＝R8，
则其输出电压Vo与差分输入电压Vca相等，即
VO=Vc-Va=Vca= R4I
已知R4后，就可根据（3）式由Vo计算出相应的光电流I。
在图4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R3和W2组成的分压电压；电位器W3、开关K用于IC2输出电压的零点调节。
图4 光电二极管反向偏压状态下伏安特性的测定
光电二极管无偏压状态下伏安特性曲线的测试电路如图5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0～200mv逐渐增加。每增加50mv，记录下相应的RL值。在数字电压表内阻比RL大很多的情况下，则光电流I可以由下面的式子计算：
图5 光电二极管无偏压伏安特性曲线的测定
图6 LED电光特性的测定
【实验仪器】
MOE—A型半导体电光／光电器件特性测试仪；ZX21型旋转式电阻箱
【实验内容】
本实验的测量内容主要有三项，一是LED的电光特性曲线的测定，二是光电二极管的伏安特性曲线的测定，三是描绘出光电二极管伏安特性曲线及光电特性曲线，并计算光电二极管的响应度。
1. 测定LED的电光特性曲线
LED的电光特性是指其输出光功率P与工作电流I之间的关系，其测量电路如图6所示。测量前应把LED的尾纤插入光功率计的光电探头内（即实验中的光电二极管）并适当调整其位置，使之与光功率计光电探头间的光耦合最佳，在以后的测量过程中注意保持这一最佳耦合状态不变。然后调节毫安表指示从零逐渐增加，每增加10mA读取一次光功率计的示值，直到100mA为止。列表记录下测量数据，根据测量数据用直角坐标纸描绘LED的电光特性曲线，并根据这一曲线在LED工作电流从0～100mA的变化范围内查出输出光功率均分的5个工作点对应的驱动电流值，为以后论述方便起见，对这五个电流值分别标以I1、I2、I3、I4、I5。
2. 测定光电二极管的伏安特性曲线
在测定光电二极管的伏安特性曲线之前先要进行减法电路零点的调节。其方法是把图4中的开关K掷向C端（反向）、调节W2使电压表V的读数为3～5V的任一值，然后调节仪器背面的W3使输出电压VO为零。调节完毕后保持W3不变，并把开关K掷向a端。
测量LED的工作电流为0、I1～I5时所对应的六种光照情况下光电二极管的伏安特性曲线。测量前首先需进行LED尾纤与被测光电二极管间最佳光耦合的调节。对于每条曲线，先按图4示的电路进行反向偏压曲线的测量，测量时，调节W2使被测二极管的反偏电压从6V～0的范围内变化（其值从接于IC1同相输入端的电压表V读取），从6V开始，每减少1V用数字毫伏表测量一次IC2输出电压VO值，根据这一电压值由（3）式即可算出相应的光电流I，在测完一条反向偏压的伏安曲线后，保持ILED不变，按图5所示电路和前面所述的方法测量同一曲线的无偏压下的伏安特性曲线，光电流由公式(4)计算。
3．根据实验数据，在直角坐标纸上描绘出被测光电二极管在反向偏压和无偏压状态下的六条伏安特性曲线及光电特性曲线，并由光电特性曲线计算出被测光电二极管在峰值波长下的响应度R值。
【思考题】
1. 在正向偏压状态下，光电二极管受光照时有无光电流产生？为什么光电二极管不能像普通二极管那样，工作在正向偏压状态？
2. 能否用通常的伏安法测定光电二极管的伏安特性？
3. 为什么不把图4中的电压表V接于光电二极管的两端对其偏压进行直接测量？
4. 若要用被测的光电二极管作为测量同一波长光照光功率计的光电检测元件，假设光功率计的量程为 0～200μW，显示部分用量程为 200mV的数字电压表头，试设计该光功率计的电路结构和计算电流一电压变换电路中的反馈是阻R4应为多大？
【参考资料】
1. 张明德、 孙小菡. 光纤通信原理与系统. 东南大学出版社.
2. 马军山. 光纤通信原理与技术.
人民邮电出版社. 2004
3. 陈振官、 陈宏威等. 光电子电路及制作实例.
国防工业出版社.您好，欢迎来到捷配仪器仪表网
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