实验二 PIN光电二极管的静态特性

PIN光电二极管的静态特性

实验目的

1．了解PIN光电二极管的工作原理；

2．能根据测试数据分析PIN管的基本静态特性；

3．掌握PIN静态特性测试方法；

4．掌握测试仪表中光源的基本参数的设置和使用方法；

5．掌握测P-N结正负极的方法。

实验要求

1、测量光电二极管PN结的极性；

2、测量光电二极管的击穿电压和暗电流；

3、测量光电二极管的响应度；

4、测量光电二极管的光谱响应特性。

实验仪器

1、PIN光电二极管一只

2、光功率计一只

3、PIN光电二极管静态测试实验箱一台

4、光衰减器一台

5、光纤跳线三根

6、万用表一只

实验原理

1、PIN光电二级管的工作原理

PIN光电二极管是在P-N结之间加了一个本征层I层，I层是一个接近本征的、掺杂很

低的N区。在这种结构中，零电场的和区非常薄，而低掺杂的I区很厚，耗尽区几乎占据了整个PN结，从而使光子在零电场区被吸收的可能性很小，而在耗尽区里被充分吸收，故PIN光电二极管又称耗尽层光电二极管，这是它比一般光电二极管的优越之处。为抑制噪声，PIN光电二极管加反向电压（电源正极接二极管N区），则外加电场和内部电场区内的电场方向相同。当有光照射二极管时，并且外加光子能量大于禁带宽度Eg，那么价带上的电子就会吸收光子能量跃迁到导带上，从而形成电子—空穴对，在耗尽区即在本征层内的电子空穴对，在强电场的作用下，电子向N区漂移，空穴向P区漂移，从而形成光生电流。光功率变化时，光生电流也随之线性变化，从而光信号变成了电信号。

2、响应度实验原理

响应度表征了光电二极管的能量转换效率，它是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性。它定义为在给定波长的光照射下，光电二极管的输出平均电流与入射的光功率平均值之比。其单位为A/W或uA/uW，其表达式为：

R=I/P

其中I为光电流的平均值，P为入射光功率的平均值。一般PIN的响应度在0.3~0.7uA/uW 范围内。

3、暗电流的测量实验原理

无光照射时，PIN作为一种PN结器件，在反向偏压下也有反向电流流过，称此电流为PIN的暗电流。暗电流主要是PN结内热效应产生的电子-空穴对形成的。暗电流非常小，在nA数量级。

实验步骤

一、PIN光电二极管PN结极性测量

在做实验之前，我们先来看一下万用表的使用和光电二极管P-N结的测量方法。

万用表测电阻此时万用表相当于电源，黑表头为电源正级，红表头为负级。

光电二极管工作在反向电压下，耗尽区加宽，从而使其电阻变大，所以光电二极管在反向偏压下的电阻要比在正向电压下的电阻大的多。我们可以通过这个方法来测量光电二极管的正负级。方法如下：

1、将万用表打到电阻档；

2、接到二极管两个管脚上，如果所得电阻值很大，则黑表头一端接的是二极管的N区，红表头接的是二极管的P区，如果所测电阻值相对很小，则黑表头接P区，红表头接N区。

二、PIN光电二极管暗电流的测量

本实验中我们所采用的方法是：在无光照的情况下，将一个1uF的电容接在PIN管两端，由于暗电流的存在，电容的两端将被充电，其中充电量Q＝It=CV,C为电容，V为电容两端的电压，t为充电时间。所以可得PIN管的暗电流即为：I=CV/t。

1．切换开关打到暗电流档。

2．将“放电、测试”开关打到“测试”档位。

3．此时记录时间三分钟，三分钟后将切换开关打到光电流档。（将切换开关打到光电流档的目的是防止测量时手接触到表笔的前端，从而手上所带静电将PIN管击穿）

4．将数字万压表打到电压mV档，将指针分别接到机箱上的红、黑两个接线柱，记录此时的电压表读数。

注意：此时电压表读数逐渐变小，因为有放电现象存在，所以要记录最初的电压表读数。5．利用公式I=CV/t,可求得暗电流值。其中，C=1uF,V为万用电表读数，t=180s

6．将“放电、测试”开关打到“放电”档位，放电三分钟。

7．调整反向偏压值，分别测量不同反相偏压下的暗电流读数。

反向偏压（V ）

暗

电流( I )

三、PIN 光电二极管响应度的测量

1． 将电源开光打开，此时光电流表和电压表正常供电。 2． 将切换开关打到光电流档。

3． 调节可变电阻，使电压表V 值在2～5V 之间。 4． 将衰减器读数设为0dB，记录此时电流表读数。

5． 每次将衰减器衰减1dB，2dB，3dB……，并分别记录电流表读数。

6． 将光功率计接上，按照所记录的衰减数，分别记录相应于每次衰减时的光功率读数。 7． 根据所记录的电流数及光功率数作出P-I 曲线。

衰减系数（dB ）

输出光电流

光功率

实验注意事项

1、 在对PIN 管正负极进行测量时，应当使用表针式模拟万用表。

2、 单色仪输出各波长的功率均匀性由标准的光功率计校准。

3、 不要用手直接接触PIN 管的管脚，以免静电使PIN 管烧毁。

4、 逐渐改变可变电阻阻值，电压表和检流计数值随之发生变化，注意电压表的数值不

要超过5V(实验仪器已经设定)。

5、 光跳线和法兰连接前，必须用酒精擦拭干净，并吹干，然后连接，不可擦拭后随意

放置，以免无人跳线端面。光跳线取下后，一定要将光跳线端头盖好，以免跳线端

面受到污染。

6、跳线两端比较脆弱，在使用过程中，避免用力弯折、拉伸等。

7、光功率计、光谱仪均属于精密测试仪表，使用前请参阅相关使用说明。

实验报告要求

1、根据实验数据，在坐标系中作出光电二极管的反向偏压与暗电流曲线，即V-I曲线。

2、根据实验表格数据，计算出相应的光功率值，并在坐标系中作出光电二极管的P-I

特性曲线，并对曲线作出分析，求出二极管的响应度。

3、自行设计电路测量PIN的静态特性。