实验四 PIN光电二极管特性测试

实验四 PIN光电二极管特性测试

一、 实验目的

1、学习掌握PIN光电二极管的工作原理 2、学习掌握PIN光电二极管的基本特性 3、掌握PIN光电二极管特性测试的方法 4、了解PIN光电二极管的基本应用 二、 实验内容

1、PIN光电二极管暗电流测试实验 2、PIN光电二极管光电流测试实验 3、PIN光电二极管伏安特性测试实验 4、PIN光电二极管光电特性测试实验 5、PIN光电二极管时间响应特性测试实验 6、PIN光电二极管光谱特性测试实验 三、 实验器材

1、光电探测综合实验仪 1个 2、光通路组件 1套 3、光照度计 1台 4、PIN 光电二极管及封装组件 1套 5、2#迭插头对（红色，50cm） 10根 6、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根 7、三相电源线 1根 8、实验指导书 1本 9、示波器 1台 四、 实验原理

光电探测器PIN管的静态特性测量是指PIN光电二极管在无光照时的P-N结正负极、击穿电压、暗电流Id以及在有光照的情况下的输入光功率和输出电流的关系（或者响应度），光谱响应特性的测量。

图5-1 PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布

图5-1是PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布。在高掺杂P型和N型半导体之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料，称为I层。在半导体PN结中，掺杂浓度和耗尽层宽度有如下关系：

LP/LN=DN/DP

其中：DP和DN 分别为P区和N区的掺杂浓度；LP和LN分别为P区和N区的耗尽层的宽度。在PIN中，如对于P层和I层(低掺杂N型半导体)形成的PN结，由于I层近于本征半导体，有

DN<

即在I层中形成很宽的耗尽层。由于I层有较高的电阻，因此电压基本上降落在该区，使得耗尽层宽度W可以得到加宽，并且可以通过控制I层的厚度来改变。对于高掺杂的N型薄层，产生于其中的光生载流子将很快被复合掉，因此这一层仅是为了减少接触电阻而加的附加层。

要使入射光功率有效地转换成光电流，首先必须使入射光能在耗尽层内被吸收，这要求耗尽层宽度W足够宽。但是随着W的增大，在耗尽层的载流子渡越时间τcr也会增大，τcr与W的关系为

τcr=W/v

式中：v为载流子的平均漂移速度。由于τcr 增大，PIN的响应速度将会下降。因此耗尽层宽度W需在响应速度和量子效率之间进行优化。

如采用类似于半导体激光器中的双异质结构，则PIN的性能可以大为改善。在这种设计中，P区、N区和I区的带隙能量的选择，使得光吸收只发生在I区，完全消除了扩散电流的影响。在光纤通信系统的应用中，常采用InGaAs材料制成I区和InP材料制成P区及N区的PIN光电二极管，图3为它的结构。InP材料的带隙为1.35eV，大于InGaAs的带隙，对于波长在1.3～1.6um范围的光是透明的，而InGaAs的I区对1.3～1.6um的光表现为较强的吸收，几微米的宽度就可以获得较高响应度。在器件的受光面一般要镀增透膜以减弱光在端面上的反射。InGaAs的光探测器一般用于1.3um和1.55um的光纤通信系统中。

图5-2 InGaAs PIN光电二极管的结构

从光电二极管的工作原理可以知道，只有当光子能量hf大于半导体材料的禁带宽度Eg才能产生光电效应，即

hf>Eg

因此对于不同的半导体材料，均存在着相应的下限频率fc或上限波长λc，λc亦称为光电二极管的截止波长。只有入射光的波长小于λc时，光电二极管才能产生光电效应。Si-PIN的截止波长为1.06um，故可用于0.85um的短波长光检测；Ge-PIN和InGaAs-PIN的截止波长为1.7um，所以它们可用于1.3um、1.55um的长波长光检测。

当入射光波长远远小于截止波长时，光电转换效率会大大下降。因此，PIN光电二极管是对一定波长范围内的入射光进行光电转换，这一波长范围就是PIN光电二极管的波长响应范围。

响应度和量子效率表征了二极管的光电转换效率。响应度R定义为

R=IP/Pin 其中：Pin 为入射到光电二极管上的光功率；IP 为在该入射功率下光电二极管产生的光电流。R的单位为A／W。

量子效率η定义为

η=光电转换产生的有效电子-空穴对数/入射光子数 =(IP/q)/(Pin/hf) = R(hf/q)

响应速度是光电二极管的一个重要参数。响应速度通常用响应时间来表示。响应时间为光电二极管对矩形光脉冲的响应——电脉冲的上升或下降时间。响应速度主要受光生载流子的扩散时间、光生载流子通过耗尽层的渡越时间及其结电容的影响。

光电二极管的线性饱和指的是它有一定的功率检测范围，当入射功率太强时，光电流和光功率将不成正比，从而产生非线性失真。PIN光电二极管有非常宽的线性工作区，当入射光功率低于mW量级时，器件不会发生饱和。

无光照时，PIN作为一种PN结器件，在反向偏压下也有反向电流流过，这一电流称为PIN光电二极管的暗电流。它主要由PN结内热效应产生的电子一空穴对形成。当偏置电压增大时，暗电流增大。当反偏压增大到一定值时，暗电流激增，发生了反向击穿(即为非破坏性的雪崩击穿，如果此时不能尽快散热，就会变为破坏性的齐纳击穿)。发生反向击穿的电压值称为反向击穿电压。Si-PIN的典型击穿电压值为100多伏。PIN工作时的反向偏置都远离击穿电压，一般为10～30V。 五、 实验准备

1、实验之前，请仔细阅读光电探测综合实验仪说明，弄清实验箱各部分的功能及拨位开关的意义；

2、当电压表和电流表显示为“1＿”是说明超过量程，应更换为合适量程； 3、连线之前保证电源关闭。

4、实验过程中，请勿同时拨开两种或两种以上的光源开关，这样会造成实验所测试的数据不准确。

六、 实验步骤与数据记录 1、光电二极管暗电流测试

实验装置原理框图如图6-3所示，但是在实际操作过程中，光电二极管和光电三极管的暗电流非常小，只有nA数量级。这样，实验操作过程中，对电流表的要求较高，本实验中，采用电路中串联大电阻的方法，将图6-3中的RL改为20M，再利用欧姆定律计算出支路中的电流即为所测器件的暗电流，如图12所示。

图5-3

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。 （2）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态特性”，将拨位开关S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。

（3）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为0。

（4）选用直流电源2，将电压表直接与电源两端相连，打开电源调节直流电源电位器，使得电压输出为15V，关闭电源。

（注意：在下面的实验操作中请不要动电源调节电位器，以保证直流电源输出电压不变） （5）按图2-2所示的电路连接电路图，负载RL选择RL21=20M。

（6）打开电源开关，等电压表读数稳定后测得负载电阻RL上的压降V暗，则暗电流L暗=V暗/RL。所得的暗电流即为偏置电压在15V时的暗电流.

(注:在测试暗电流时,应先将光电器件置于黑暗环境中30分钟以上,否则测试过程中电压表需一段时间后才可稳定)

（7）实验完毕，直流电源调至最小,关闭电源，拆除所有连线。 数据：V= V R= M 得 L= nA 2、PIN光电二极管光电流测试 实验装置原理图如图5-3所示。

图5-4

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。 （2）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态特性”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。

（3）按图5-4连接电路图，直流电源选择电源2，RL取RL6=1K欧。

（4）打开电源，缓慢调节光照度调节电位器，直到光照为300lx（约为环境光照），缓慢调节直流调节电位器到电压表显示为15V，请出此时电流表的读数，即为PIN光电二极管在偏压15V，光照300lx时的光电流。

（5）实验完毕，将光照度调至最小，直流电源调至最小，关闭电源，拆除所有连线。 实验结果：I光= vf

3、PIN光电二极管光照特性

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。 （2）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。

（3）按图5-4所示的电路连接电路图，直流电源选择电源2，负载RL选择RL6=1K欧。

（4）将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。打开电源，调节直流电源电位器，直到显示值为15V左右，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，填入下表。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 光生电流（μA） 100 300 500 700 900 （5）根据上表中实验数据，作出PIN光电二极管在15V偏压下的光照特性曲线,并进行分析.

实验结论：如图象可知光生电流随光照度增大而增大。

（6）实验完毕，将光照度调至最小，直流电源调至最小，关闭电源，拆除所有连线。

4、PIN光电二极管伏安特性

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。 （2）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。

（4）按图5-4所示的电路连接电路图，直流电源选择电源1，负载RL选择RL6=1K欧。 （5）打开电源顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为500Lx，保持光照度不变，调节电源电压电位器，使反向偏压为0V、2V，4V、6V、8V、10V、15V、20V时的电流表读数，填入下表，关闭电源。

（注意：偏置电压不能长时间高于30V，以免使PIN光电二极管劣化）

（7）重复上述步骤,测量PIN光电二极管在800Lx照度下，不同偏压下的光生电流值

偏压（V） 0 -2 -4 -6 -8 -10 -15 -20 光生电流1（μA） 光生电流2（μA）

实验数据分析：如上图，随着偏压增大，光生电流不断增大，且在光照度增大情况下，光生电流增加更快。

（8）根据上面所测试的实验数据,在同一坐标轴作出光照在500lx和800lx时的伏安特性曲线,并进行分析比较.

（9）实验完毕，将光照度调至最小，直流电源调至最小，关闭电源，拆除所有连线。

5、 PIN光电二极管时间响应特性测试

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。 （2）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“脉冲”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。

（3）按图2-5所示的电路连接电路图，直流电源选择电源2,负载RL选择RL=1K欧。

（4）示波器的测试点应为A点，为了测试方便，可把示波器的测试点使用迭插头对引至信号测试区的TP1和TP2，TP1与直流电源的地相连。

图5-5

（5）打开电源，白光对应的发光二极管亮，其余的发光二极管不亮。用示波器的第一通道与接TP和GND（即为输入的脉冲光信号），用示波器的第二通道接TP2。

（6）观察示波器两个通道信号，缓慢调节直流电源电位器直到示波器上观察到信号清晰为止，并作出实验记录（描绘出两个通道波形）。

（7）缓慢调节脉冲宽度调节，增大输入脉冲的脉冲信号的宽度，观察示波器两个通道信号的变化，并作出实验记录（描绘出两个通道的波形）并进行分析。 （8）实验完毕，关闭电源，拆除导线。

6、PIN光电二极管光谱特性测试

当不同波长的入射光照到光电二极管上，光电二极管就有不同的灵敏度。本实验仪采用高亮度LED（白、红、橙、黄、绿、蓝、紫）作为光源，产生400～630nm离散光谱。 光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应能力。定义为在波长照射下，光电探测器输出的信号电压或电流信号。即为

的单位入射功率的

或

式中，

为波长为

时的入射光功率；

为光电探测器在入射光功率

作用下

的输出信号电压；则为输出用电流表示的输出信号电流。

本实验所采用的方法是基准探测器法，在相同光功率的辐射下，则有

式中，

为基准探测器

为基准探测器显示的电压值，K为基准电压的放大倍数，

的响应度。取在测试过程中,取相同值,则实验所测测试的响应度大小由

的大小确定.下图为基准探测器的光谱响应曲线。

图5-6 基准探测器的光谱响应曲线

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。 （2）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态特性”，将拨位开关S1，S2，S4，S3，S5，S6，S7均拨下。 （3）将直流电源2正负极直接与电压表相连，打开电源，调节电源电位器至电压表为10V，关闭电源。

（4）按如图2-7连接电路图，RL取RL=100K欧。

图5-7

（5）打开电源，缓慢调节光照度调节电位器到最大，依次将S2，S3，S4，S5，S6，S7拨上后拨下，记下照度计读数最小时照度计的读数E作为参考。 （注意：请不要同时将两个拨位开关拨上）

（6）S2拨上，缓慢调节电位器直到照度计显示为E，将电压表测试所得的数据填入下表，再将S2拨下；

（7）重复操作步骤（6），分别测试出橙，黄，绿，蓝，紫在光照度E下电压表的读数，填入下表。 波长（nm） 基准响应度 R电压（mV） 光电流(U/R) 响应度 红（630） 橙（605） 黄(585) 绿（520） 蓝（460） 紫（400） （8）根据所测试得到的数据，做出PIN光电二极管的光谱特性曲线。 七、 心得与体会 本次实验主要学习掌握PIN光电二极管的工作原理、学习掌握PIN光电二极管的基本特性、掌握PIN光电二极管特性测试的方法、了解PIN光电二极管的基本应用，实验过程中对于光照度和偏压对光生电流的影响进行进一步的分析，同时考虑不同波长的光谱特性，再次帮助复习了关于光波特性的相关知识，同时感谢老师在实验过程中的认真指导！

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gsew.html