光电器件测试

光电器件性能测试与应用
一、实验目的：
1．了解光敏二极管、三极管的结构及工作原理。

2．掌握常用光敏器件的性能和极限参数。

3．体验光敏器件的具体应用。

二、光敏器件的工作原理
2．1 光敏二极管是一种光伏效应器件。

由于势垒区内建电场的作用。

PN 结、肖特基结（即金属半导体结）等在受光照时会产生一个光生电动势，这就是光伏效应。

以光伏效应为工作机理的器件通称为光伏效应器件。

因此，光敏二极管、光敏三极管及均效应光敏管，光激可控硅等特种光敏器件，都属于光伏效应器件。

在光照下，若入射光子的能量大于禁带宽度，则PN 结内会产生光生电子空穴对，这些光生载流子存在了一段长短不同的时间后，又会因复合而消失。

如图2-1所示，势垒区两边
产生的载流子中总有一部分能在复合前扩散到
势垒区的边界，基中少子受势垒区电场的吸引被扫向对面区域，多子则受势垒区电场的排斥而留在本区。

势垒区内产生的光生电子和光生空穴一经产生使受到电场的作用。

分别被扫向N 区和P 区，这样，就产生出由势垒区中产生的电子空穴对及势垒区两边能运动到势垒区的少子所构成的光电流I L ，它的方向是由N 区经势垒区流向P 区，即与光照对PN 结的反向饱和电流方向相同，因此，若I L 仅表示光电流的数值，则这个光电流应写为﹣I L ，以保持PN 结电流的习惯方向。

当PN 结短路时，这个光电流将全部流过
短接回路，即从势垒区和P 区流入N 区的光生电子将通过短接回路全部流到P 区电极处，与P 区流出的光生空穴复合，因此，短路时外接回路中的电流是I L ，方向由P 端（“端”指外端电极处，下同）流向N 端，即I =﹣I L ，这时，PN 结中的载流子浓度维持平衡值，势垒高度亦无变化。

当PN 结开路或接有负载时，势垒区电场收集的光生载流子便不能或不能全部流出，P 区和N 区就分别出现光生空穴和光生电子的积累，它使P 区电位升高，N 区电位降低，造成
了一个光生电动势，这电动势使势垒高度下降，相当于加在PN 结上的正向偏压，只不过这是光照造成的而不是用电源馈送的，故称为光生电压。

它使P 区光生空穴和N 区光生电子分别向N 区和P 区回注，并分别在N 区与P 区与电子和空穴复合，形成了由P 区以势垒区指向N 区的正向注入电流I J ，若PN 结开路，则流过势垒区的总电流应为零，I J 有最大值，即
max max ()0,J L J L I I I I +−==
故相应的光生电压达到最大可能值——开路电压（即光生电动势），维持开路电压的光生载流子积累量或存贮量也达到最在值，若PN 结外接负载，则势垒电场收集的光生载流子中除回注一部分外，其余的要流出，回路电流为
J L I I I =−
这时光生电压还起着路端电压IR L （R L 为负载电阻）的作用，其值和维持这个值的光生载流子贮存量均小于开路情况。

光照初期，I L 及I J 都是时间的上升函数，若光照保持稳定，则经过短时间的暂态过程后，PN 结将进入稳定状态，对于接有负载R L 的一般情况，I L 、I J 、PN 结内存贮的光生载流子量及其维持的光生电压均呈现稳定值如图2.1（b ）所示。

综上所述，可将光照下PN 结的稳态特性小结如下，当入射辐射中光子的能量大于禁带宽度时，PN 结中将出现光电流或/光电压，这就是光伏效应，对于接有负载的一般情况，回路电流是
J L I I I =− （2.1）
引用PN 结的直流伏安特性
0exp 1J L qV I I I kT ⎡⎤
⎛⎞=−−⎜
⎟⎢⎥⎝⎠⎣
⎦
（2.2） 则有
0exp 1L qV I I I kT ⎡⎤
⎛⎞=−−⎜
⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦
（2.3） 这里I 0为PN 结的反向饱和电流，V 为光生电压，当PN 结短路时，回路中有最大可能电流——短路电流I sh ，
0m |sh V ax L I I I I ====− （2.4）
当PN 结开路时，回路中电流为零，
0exp 10L qV I I I kT ⎡⎤
⎛⎞=−−=⎜
⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦
而光生电压则达到最大可能值——开路电压V oc ；由上式可得其值
00
|ln(1)L oc I kT I
V V q I ===
+ （2.5） 应该注意：当PN 结加有外偏压时，上面式（2.3）中的电压V 应是外偏压与光电压的
代数和；势垒区中的光生载流子及由势垒区两边扩散到势垒区边界的光生少子在渡越势垒区时，存在时间小于渡越时间的那部分将在势垒区中复合，只不过它们数量极小而可以略去；光生载流子在PN 结中的积累或贮存包括了势垒区中的贮存，但在一般情况下可将它们在势垒区中的贮存等效为势垒区的缩小。

2．2 光敏三极管与加反向偏压的光敏二极管的工作原理是类似的，但是器件中有两个PN 结，以便利用一般晶体管的作用得到电流增益。

因而，有的文献又称光敏三极管为光电孪生二极管或具有两个PN 结的光敏二极管。

由于具有比光敏二极管高得多的响应度，工作时对电源的要求又不苛刻，所以，它是目前我国应用最广泛的一种半导体光敏器件。

光敏三极管可以用元素半导体制得，也可用化合物半导体制得，首先以应用最广泛，又最成熟的硅光敏三极管为例，讨论其工作原理与特性。

光敏三极管的外形、原理性结构、常用符号及等效电路如图2.6所示，工作时所加偏压的极性亦已在图中示出。

这是一种用平面工艺制造的硅NPN 型光敏三极管。

在图中，只画了E 、C 两个引出端子，实际上，是既可以只有E 、C 两个引出端子，也可以有E 、B 、C 三个引出端子的，B 端子从N +PN 结构中的P 区引出，具有B 引出端子的光敏三极管，不仅在应用上会给我们带来方便，而且可以使光敏三极管的频率特性等某些性能得到改善。

在加上正常工作电压后，集电结（即图2.6（b ）中的PN 结）被反向偏置。

当没有光照到这个处于反向偏置的结上时，流过光敏三极管的电流就是通常情形下晶体管的反向截止电流I ceo ，其大小为
I ceo =（1+ h FEO ）I cbo （2.6）
式中，h FEO 是电流为I ceo 时该晶体管的共发射极直流电流放大系数，I cbo 是集电结的反向截止电流。

当光经管帽上透光窗口照射在管芯上时，在集电结势垒区以及相距其一个扩散长度范围内的光生电子空穴时，都将使集电的反向截止电流增加，增加量即集电结的光电流，可以写为
()()()n P DL w L L I q G x dxd G x dxd G x dxd λλλλλλλλλ⎡⎤=++⎢⎥⎣⎦
∫∫∫∫∫∫ （2.7）
式中，λ为入射光波长，W 为集电结空间电荷区宽度；L n 和 L p 分别为P 区和N 区中电子和
空穴的扩散长度；()G x λ为单位波长、单位时间、单位体积内所产生的电子空穴对数；x 为离管芯表面的距离；q 为电子电量。

其中，()G x λ与单位波长单位时间入射的光子数F λ、该种半导体对光的吸收系数()a λ、表面对光的反射系数()ρλ及量子产额()Y λ等因素有关，可以写为
()()[1()]()exp[()]G x Y F a a x λλλρλλλ=−− （2.8）
这样，由式（2.6）可知，当光照射到集电结上时，集电结反向电流的增大会引起I ce 的增大，前者增大为I cb0 + I DL ，后者增大为I ce0 + I ceoL ，其中
I ceoL =（h FE + 1）I DL （2.9） 式中，I ceoL 就是光敏三极管在光照下产生的光电流（一般参数表记不I L ）；而h FE 是I ce 等于I ceoL 时的共发射极直流电流放大系数，通常比h FEO 为大；I DL 则是光敏三极管的集电结光敏二极管部分在同一光照下产生的光电流。

由式（2.9）可以清楚看出，光敏三极管的光电流比具有相同有效面积的光敏二极管的光电流约大h FE 倍。

一般光敏三极管的h FE 值在100—1000的范围内，所以，光敏三极管比光敏二极管有高得多的响应度或灵敏度。

正因如此，有的文献从表现效果看，说光敏三极管具有高达数百的量子效果，显然，这是把电流增益也计入进去的结果。

正是在上述分析的基础上，画出了图2.6（d ）所示的光敏三极管等效电路图，即在电路上，光敏三极管可以等效为在一个晶体管的基极与集电极之间接一个光敏二极管。

而且，光敏二极管的连接必须这样，当晶体管加正常工作电压时，光敏二极管是处于反向偏置的，实际的光敏三极管中，集电结的作用正与上述光敏二极管的作用相同。

因此，光敏三极宇航局就相当于一个把集电结为光敏二极管光电流加以放大的晶体管放大器。

这样的等效电路，简单明白地说明了光敏三极管比光敏二极管有大得多的光电流的原因。

三、敏器件的参数的测试 3.1 静态参数的测试
静态参数是指所加电压或光照稳定情况下的电学特性或光学特性。

例如，光敏二极管的暗电流、光电流、正向压降、反向击穿电压等特性以及光敏三极管的暗电流、光电流、饱和压降、集电极－发射极反向击穿电压等特性。

3.1.1 光敏二极管暗电流I D 的测试
定义：暗电流是在无光照条件下、在被测管两端加规定反向工作电压V R 时，二极管中流过的电流。

暗电流I D 的测试原理如下图：
测试步骤：调节稳压电源，使直流电压表读数为规定值，这时电流表所显示的读数即为所测暗电流I D 。

3.1.2光敏二极管光电流I L 的测试
定义：光电流是在规定光照下并加一定的工作电压时，流过的二极管的电流。

光电流I L的测试原理如下图：
测试步骤：加上被测管，是其轴线与入射光平行，调节光源和稳压源至规定值，这时电流表所显示的读数即为所测得光电流I L。

3.1.3光敏三极管暗电流I D的测试
定义：无光照时，基极开路情况下，集电极－发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流为暗电流I D。

暗电流I D的测试原理如下图：
测试步骤：调节集电极与发射极间的稳压电源的电压至规定值，这时电流表上所显示的读数即为所测的暗电流I D。

3.1.4光敏三极管光电流I L的测试
定义：在规定的光照下，集电极与发射极间加一定的工作电压（基极开路）时，流过三极管的电流即为光电流I L。

光电流I L的测试原理如下图：
测试步骤：加上被测管，是其轴线与入射光平行，调节光源和稳压源至规定值，这时电流表所显示的读数即为所测得光电流I L。

3.2 动态参数的测试
3.2.1 光敏三极管脉冲时tr,和脉冲下降时间t f是在规定的输出电流和电压的条件下，以输出脉冲前沿的10%至90％所需的时间为脉冲上升时间t r,以输出脉冲后沿幅度的90%至10%所
需的时间为脉冲下降时间tr.测试电路如图3.1所示。

将示波器的ch 1,ch 2分别接于电路测试点A ，B 上。

在示波器上读出光电耦和器中光电三极管的tr,和tf 值记录于报告中。

对输出光脉冲宽度要求 T ≥2(tr+tf)，占空比≤50％即可。

四、光敏器件的应用
4.1 用光电耦合器4N35实现的脉冲波形保持及高压隔离器电路。

如下图所示。

用示波器观察A 、C 测试点并比较电压幅值，记录在报告中。

图：脉冲波形保持及高压隔离器
V 光脉冲波形。